由离子纠缠驱动的新型量子引擎

一个世纪以来，量子纠缠一直让物理学家感到愤怒和困惑，现在它可能即将在（非常小的）能源设备中得到实际应用。

量子纠缠不再只是亚原子世界的一个令人困惑的特征，它可以使量子引擎产生更多有用的能量。

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人们正在探索量子物质的奇怪特征，希望它们能带来比经典同类发动机更强大、更高效的发动机。关于量子物理学的各个方面如何帮助和阻碍机器，我们还有很多不明白的地方。对量子物理学最显着的特征之一——纠缠的新探索表明，它可以帮助提高发动机产生的有用能量，但不能提高能量转换效率。

与量子力学的许多方面一样，纠缠对于在经典世界中长大的人类来说毫无意义。爱因斯坦曾嘲笑它是“幽灵般的远距离作用”——然而，最终，它存在的证据变得强大而不容忽视。在过去的二十年里，物理学家在使大量亚原子粒子在越来越远的距离上纠缠方面取得了越来越大的成功。 

大多数将量子纠缠用于实际目的的计划都涉及信息处理和传输，但量子引擎和量子电池也可能有一席之地。 

去年，第一台量子发动机得到了演示，它利用从费米子气体到玻色子凝聚态再返回的转变，而不是自瓦特发明以来发动机使用的热量差异。费米子和玻色子是根据自旋来区分的粒子。更重要的是，玻色子比费米子更容易聚集在一起，因为阻止两个费米子同时占据相同量子态的泡利不相容原理并不适用于它们。膨胀的费米子气体和凝聚的玻色-爱因斯坦凝聚体之间的来回运动被用来驱动微小的活塞。

最初的发动机效率为 25%，这对于首次尝试来说是一个惊人的成就，但远低于驱动当今世界的发动机。因此，为了创造更好的东西而展开的竞赛。有几篇论文提出使用量子纠缠，其中每个粒子的量子态都与其他粒子的量子态有着千丝万缕的联系。

周飞博士所在的团队创建了一个基于陷阱中两个钙离子的量子引擎，可以改变量子纠缠的程度来测量其效果。该发动机以四冲程循环工作，首先吸收红色激光中的光子，然后进入膨胀阶段、边带过渡以将系统耦合到量子负载，最后进行压缩。 

“我们研究的亮点是具有纠缠特性的量子引擎的首次实验实现。 [它]定量地证实了纠缠可以作为一种‘燃料’，”费告诉《南华早报》。 

“我们选择两个自旋离子的纠缠态作为工作物质，[它们的]振动模式作为负载。通过精确调整激光频率、振幅和持续时间，离子从最初的纯态转变为高度纠缠态，”周补充道。

转换效率（通过引擎为每个光子产生的振动次数来衡量）并没有因纠缠而提高。然而，纠缠的机械效率更高，这意味着相同的输入会产生更多有用的能量。

即使能量增加，量子引擎的应用仍然相当有限。例如，到目前为止，它们只能在接近绝对零的温度下运行。然而，由于量子计算机已经需要这些温度才能工作，量子引擎可能会填补与它们相关的角色，尽管它们需要从这个概念验证中进行显着扩展。

该工作发表在《物理评论快报》杂志上。