科学家揭示了开发高效量子设备的激动人心的可能性。量子力学是物理学的一个分支，探索原子和分子等极小尺度粒子的特性和相互作用。这促使人们开发出比传统技术更强大、更高效的新技术，从而在计算、通信和能源等领域取得突破性进展。
量子引擎压缩玻色子粒子气体，并减压费米子粒子气体。图片来源：Mirijam Neve
发动机设计的量子飞跃
在冲绳科学技术研究所（OIST），量子系统部门的研究人员与凯泽斯劳滕-兰道大学和斯图加特大学的科学家合作，根据粒子在极小尺度上遵守的特殊规则设计并制造了一种发动机。
他们开发出一种利用量子力学原理产生动力的发动机，而不是通常的燃料燃烧方式。描述这些成果的论文由 OIST 研究人员 Keerthy Menon、Eloisa Cuestas 博士、Thomas Fogarty 博士和 Thomas Busch 教授共同撰写，发表在《自然》（Nature）杂志上。
比较经典发动机和量子发动机
在典型的经典汽车发动机中，燃料和空气的混合物在一个腔体内被点燃。爆炸产生的热量加热腔体内的气体，进而推动活塞进出，产生功使车轮转动。
在他们的量子发动机中，研究人员通过改变气体中粒子的量子性质来取代热量的使用。要理解这种变化如何为发动机提供动力，我们需要知道，自然界中的所有粒子都可以根据其特殊的量子特性被划分为玻色子或费米子。
在量子效应变得非常重要的极低温度下，玻色子的能量状态低于费米子，这种能量差可以用来为发动机提供动力。量子发动机不像经典发动机那样循环加热和冷却气体，而是通过将玻色子变为费米子再变回玻色子来工作。
"要把费米子变成玻色子，可以把两个费米子组合成一个分子。这个新分子就是玻色子。将其分解后，我们就能再次找回费米子。"量子系统组组长托马斯-布施（Thomas Busch）教授解释说："通过循环这样做，我们可以在不使用热量的情况下为发动机提供动力。"
量子引擎的效率和潜力
虽然这种发动机只能在量子态下工作，但研究小组发现它的效率相当高，在德国合作者建立的现有实验装置下，效率最高可达 25%。
这种新型发动机是量子力学领域一个令人兴奋的发展，有可能进一步推动新兴量子技术领域的进步。但这是否意味着我们很快就能看到量子力学为汽车发动机提供动力呢？Keerthy Menon 解释说："虽然这些系统的效率很高，但我们只是与实验合作者一起进行了概念验证。要制造出有用的量子发动机，还有许多挑战。"
如果温度过高，热量会破坏量子效应，因此研究人员必须尽可能保持系统低温。然而，为了保护敏感的量子态，在这种低温下运行实验需要大量能量。
研究的下一步将涉及解决系统运行的基本理论问题、优化其性能，以及研究其对其他常用设备（如电池和传感器）的潜在适用性。