科学家们揭示了发展高效量子设备的令人兴奋的可能性。

量子力学是物理学的一个分支，探索微观尺度上的粒子（如原子和分子）的性质和相互作用。这导致了比传统对应物更强大和高效的新技术的发展，从而在计算、通信和能源等领域取得了突破。

发动机设计中的量子飞跃

在冲绳科学技术研究所（OIST），量子系统单位的研究人员与卡泽尔斯劳滕-兰道大学和斯图加特大学的科学家合作设计和建造了一种基于微观尺度上粒子遵循的特殊规则的发动机。

他们开发了一种利用量子力学原理来产生动力的发动机，而不是通常的燃烧燃料的方式。描述这些结果的论文由OIST的研究人员Keerthy Menon、Dr. Eloisa Cuestas、Dr. Thomas Fogarty和Thomas Busch教授共同撰写，并已发表在《自然》杂志上。

比较经典和量子发动机

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室内点燃。爆炸产生的热量加热了腔室内的气体，进而推动活塞往复运动，从而产生驱动车轮的工作。

在他们的量子发动机中，研究人员用气体中粒子的量子性质的变化代替了热量的使用。为了理解这种变化如何驱动发动机，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归类为玻色子或费米子。

在量子效应变得重要的非常低温下，玻色子的能量状态比费米子低，这种能量差异可以用来驱动发动机。量子发动机不像经典发动机那样通过循环地加热和冷却气体工作，而是通过将玻色子转变为费米子，然后再转变回来来工作。

将费米子转变为玻色子，可以将两个费米子合并成一个分子。这个新的分子是一个玻色子。将其分解使我们能够重新获得费米子。通过循环执行这个过程，可以在不使用热量的情况下驱动发动机。

量子发动机的效率和潜力

虽然这种类型的发动机只在量子范畴内起作用，但团队发现其效率相当高，目前在德国合作伙伴建造的实验装置中可以达到25%。

这种新型发动机是量子力学领域的一个令人兴奋的发展，并有潜力在新兴的量子技术领域进一步取得进展。但这是否意味着我们很快就会看到量子力学驱动我们汽车的发动机？虽然这些系统可能非常高效，但只是进行了概念验证。在构建一个有用的量子发动机方面仍然存在许多挑战。

如果温度过高，热量会破坏量子效应，因此研究人员必须将系统保持尽可能冷却。然而，这需要大量能量来在这些低温下运行实验，以保护敏感的量子状态。

研究的下一步将涉及解决关于该系统运行的基本理论问题，优化其性能，并研究其对其他常用设备（如电池和传感器）的潜在适用性。