Physics Reports 速递：量子热机和量子冰箱

原创 集智编辑部 集智俱乐部

关键词：量子热机，量子冰箱，多体量子系统，集体行为，量子信息理论

论文题目：Quantum engines and refrigerators
论文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0370157324002710
期刊名称：Physics Reports

在经典热力学中，发动机通常将热能转化为机械功，其运作原理可通过卡诺循环等经典模型描述。然而，量子系统中的能量转化涉及更多的复杂因素，如量子涨落、非马尔科夫性及强耦合效应，这些量子特性在微观尺度上显著影响了热机的性能。量子热机与量子冰箱是基于量子力学原理的设备，利用量子态之间的能级差和动态相互作用实现能量的转化与调控。近日发表于 Physics Reports 的一篇综述文章中，作者深入探讨了量子热机和冰箱的理论框架、实验进展以及应用潜力。

非平衡资源和量子关联是量子发动机中不可忽视的因素。通过使用非热库（如具有相干性或压缩态的量子态），这些发动机能够超越经典效率限制。尽管这些超越是表面的，但通过适当的热力学理论框架，这些额外的热力学资源得以准确描述。例如，相干性和量子关联被证明可以提升量子热机的输出功率和效率。

在多体量子热机领域，研究聚焦于如何利用集体行为提升热机性能。通过驱动量子多体系统作为工作介质，热机的输出功率可以随系统规模非线性提升，这为实际应用提供了潜力。此外，临界性和非平衡相变机制（如Kibble-Zurek机制）也在文章中被充分探讨。

强系统-环境耦合与非马尔科夫性是另一个研究重点。与经典热机相比，这些特性在低温和强耦合条件下更为显著。在强耦合系统中，环境反馈和信息回流使得系统表现出非经典的动力学行为，从而影响热机的效率和输出。

此外，作者还深入探讨了基于量子信息理论的热机设计。例如，通过利用量子测量和反馈控制，研究人员实现了基于“量子麦克斯韦妖”的热机。这些设备可以通过测量与反馈过程将信息作为资源进行热力学任务，如能量转化与制冷。

实验层面，纳米级热电装置的研究提供了验证平台。这些设备不仅能够将热能转化为电能，还可以作为热整流器或片上冷却器运行，展现了量子热机在实际应用中的潜力。

这一系列研究揭示了量子热机在能量转化领域的多重优势，同时也指出了未来的发展方向。从理论模型的改进到实验技术的突破，量子热机正逐步走向实际应用，可能会在能源技术和信息科学中发挥革命性作用。

图1. 量子热机早期原型示意图。

图2. 光电量子热机示意图。

图3. 双量子比特纠缠热机的基本机制示意图。

图4. 临界状态下的多体热机示意图。

图5. 具有记忆效应的Otto循环热机示意图。

龚铭康 | 编译

原标题：《Physics Reports 速递：量子热机和量子冰箱》

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