「量子冰箱」超越古典效率極限

Quantum engineering pushes refrigerator beyond classical efficiency limits
http://phys.org/news/2014-02-quantum-refrigerator-classical-efficiency-limits.html

By Lisa Zyga, 2014.02.06

(Phys.org) -- 在古典系統中，熱力學定律決定什麼是可能的，以及什麼是不可能的。近來，科學家已開始研究如何建立這些基本定律的量子類比物，以便測定量子系統的效能極限。現在，在一項新研究中，科學家確立量子熱吸收式冰箱（quantum absorption refrigerators，量子吸熱式冰箱）的熱力學極限，然後有點違反直覺地證明，量子工程技術如何能使冰箱超越這些極限，導致超效冷卻（superefficient cooling）。

這些發現證明，量子增強（quantum enhancements）如何允許量子系統超越古典系統所能達到的，同時也標誌著，朝實用量子冷卻（quantum cooling）技術跨出前途無量的一步。

研究者 Luis A. Correa 等人，來自西班牙 La Laguna 大學以及英國 Nottingham 大學，將他們關於量子強化致冷（quantum-enhanced refrigeration）的論文發表在最近一期的 Nature Scientific Reports 期刊上。

在大自然中，不管是古典或量子，冰箱運作都是藉由將能量從冷源（cold reservoir，要被冷卻的物體）運送到熱源（hot reservoir），那通常伴隨來自電源的輔助，在熱吸收式冰箱的例子中則是一個額外的功源（work reservoir）。

"率先由愛因斯坦他自己獲得專利，熱吸收式冰箱真的很「cool（冷、酷，雙關語）」，" 共同作者，諾丁漢大學的 Gerardo Adesso 表示。"它們從外部吸熱以致冷，不需要插入電插座。人們通常在，例如露營時，會用到，它們，不過這些冰箱在傳統上，通常因冷卻率（cooling power）相當低而無法普及。"

對任何冰箱來說，致冷過程的效率無法超越 Carnot limit（卡諾極限），若否則將違逆熱力學第二定律。

在這項新研究中，科學家研究量子冰箱在最大功率下運作時的理論最大效率。在最大功率下的效率比一般狀況下的效率受到更大的實質關注，因為功率在高效率下消失。在此，科學家證明，任何一種量子冰箱，在最大功率下的效率受限於一小部份的 Carnot limit。

"發現所有量子熱吸收式冰箱接納一種緊密的、模型獨立的效能極限，真的令人感到驚訝，" Adesso 說。"為熱機（heat engines）與冰箱確立最大功率下的效率邊界，在有限時間熱力學（finite-time thermodynamics）中是一個存在已久的問題。"

雖然這種各種量子熱吸收式冰箱的模型都有這種極限，但那並非最終答案。在其論文的第二部份，研究者證明「量子冰箱」可利用該系統的量子特性提升其效能。

尤其是當「功源」被「擠壓（squeezed）」（一種操作，那藉由誘發非古典的波動，使一個系統獲得量子增強）時，此量子冰箱能超越古典的效能極限，達到超級效率（superefficient）。

"當「擠壓」施於「熱源」時，效能邊界很明顯地被違逆；因為 Carnot 效率被推的更遠，極限（相對於 Carnot 效率）仍維持住，" Correa 說，他來自 La Laguna 與諾丁漢大學。

研究者解釋，擠壓「功源」有點等同於增加額外的驅力，所以功源在冷卻過程中扮演一種更主動的角色。效率不僅增加了，就連總冷卻率本身也因為擠壓而增加。

"在一部熱吸收式冰箱中，「功源」愈熱，致冷會變得更強大與更有效率，" Adesso 表示。"有時，那也許只是不可能將之加熱到過大溫度，即便有人能竭力提供它。然而，藉由加入量子源工程技術以誘發擠壓，你就能使「功源」看起來比實際上更熱，因而提升冰箱的效率。當然，這需要相關的能源成本：與一般的熱力學無異，天下沒有白吃的午餐。"

整體來說，這些結果在理論面與實際面都有影響。對前者來說，那讓科學家能一窺古典系統之外的熱力學看起來如何。對後者而言，「源擠壓（reservoir squeezing）」能提供一種實用方法來改善量子冰箱的效能，還具有超越其他技術（例如增加溫度）的優勢，那在實際上可能難以辦到。研究者認為，利用現有技術（例如超導量子位元、量子點，或是鑽石中的氮晶格空缺中心 (nitrogen vacancy centers)），有可能將具有擠壓源的超效量子冰箱實驗性地實現。

"我們現在正思考要實驗性地將熱吸收式或著最低控制限度的電力驅動式冰箱具體化，關注對於量子技術的可能實際應用，" Correa 說。

"低損耗，高功率的量子冰箱，也許以鑽石製成，" Adesso 補充。"那又有多 cool（冷、酷，雙關語）呢？"

※ 相關報導：

＊ Quantum-enhanced absorption refrigerators
http://www.nature.com/srep/2014/140204/srep03949/full/srep03949.html

Luis A. Correa, Jose P. Palao, Daniel Alonso,
Gerardo Adesso
Nature Scientific Reports 4, Article number: 3949.
doi: 10.1038/srep03949
arXiv: 1308.4174 [quant-ph]

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