量子涨落定理：开启未来能源的“秘钥”

想象一下，如果手机在不充电的情况下，仅靠周围环境中微小的能量波动就能永远保持满电状态，是不是很酷？近日，兰州大学教授安钧鸿与吴威团队在量子热力学领域取得的重要进展，有望让这种科幻电影中的情节变为现实。

他们的研究成果不仅挑战了传统认知的边界，更给量子热机的未来设计带来无限可能。近日，相关研究成果发表于《物理评论快报》。

量子热力学：能源科学新引擎

“量子热力学为新的产业革命提供了原始创新驱动力，是量子科技的重要组成部分。”安钧鸿告诉《中国科学报》。

近20年来，随着量子科技的蓬勃发展，物理学家将19世纪根据实验观测与规律总结建立起来的热力学定律，推广到有限自由度的微观小系统，提出了一系列问题。

传统热力学定律在量子力学与远离热平衡情况下是否还成立？在传统热力学中，温度、熵、热与功等概念在量子力学框架下是否需要修改与拓展？

这些问题促使物理学家重新审视并重构热力学理论框架。量子热力学不仅关注微观系统的能量转换与热交换，还试图通过量子力学原理揭示能量、信息与熵之间的深层次关系。

“在传统热力学框架内，热机的能量转换效率受制于卡诺极限。这一极限由热力学第二定律决定，无法通过经典调控手段来突破，制约了当今社会各类热机的能源转换效率，如空调、冰箱、汽车等。”安钧鸿说。

但在量子热力学框架内，利用量子压缩或量子相干性等量子资源，人们可以突破卡诺极限，设计出性能优于经典热机的量子热机，从而变革性地提高能量转换与使用效率。

因此，在安钧鸿看来，随着人类对能源需求的日益增长，量子热力学对能源科学的重要性不言而喻。

能量革命：解锁无线充电的量子电池

安钧鸿团队长期在量子科技领域从事基础研究，不断追寻颠覆传统认知的量子效应，一直是他们的目标。

在前期工作中，安钧鸿团队将新奇的量子效应与量子调控手段运用到磁力计、光学陀螺仪和低温温度计等精密测量方案，以及作为雷达基础的高分辨率量子探照的研究中，并取得了一系列重要成果。

“在量子计算、通信与精密测量的热潮中，我们意识到，量子效应不仅能够重塑信息的存储、运算与提取，更有可能在能量领域引发一场革命。”安钧鸿说。

2024年初，安钧鸿团队在量子热力学方面取得了一项重要研究成果——提出了无线充电的抗老化量子电池方案，解决了传统量子电池普遍存在的充电低效与能量损耗问题。该研究受到国内外科技媒体的广泛关注，《自然》还将其作为“研究亮点”进行了报道。

安钧鸿表示，与依赖锂等材料储存电荷的传统化学电池不同，量子电池利用微观系统的量子能级存储能量，既不会闪爆，也不会污染环境。不仅如此，得益于量子纠缠，量子电池的充电速度也远超传统化学电池。“审慎乐观地预测，未来一旦研发出量子电池，光伏的光电转换效率将显著提高。”

然而，这仅仅是个开始。

在量子电池无线充电的成功背后，安钧鸿团队发现了更加深邃的科学奥秘——量子电池与充电器之间的能量传输表现出的丰富的非平衡特性具有普适性。

“这会深刻影响包括功与热在内的能量交换，从而改写传统量子热力学中建立在系统-环境弱耦合基础上的量子热的涨落定理。因此，在这一研究工作的启发下，我们顺势进入量子热力学涨落定理这一研究领域，并取得了重要进展。”安钧鸿说。

广义量子涨落定理：突破传统框架

在量子热力学中，远离平衡态的能量、信息及熵等因热涨落、量子涨落与非平衡弛豫影响而随机变化，需要通过概率分布描述。研究发现，这些非平衡态热力学量的统计规律与平衡态物理量间存在恒等式，即量子涨落定理，它桥接了非平衡态的随机性与平衡态的确定性，是量子热力学发展的重要里程碑。

通过大量计算与分析，安钧鸿与吴威团队认识到，传统量子热的涨落定理失效的根源在于系统-环境强耦合破环了系统非平衡过程的细致平衡条件。细致平衡条件指在趋向平衡的过程中，系统从一个微观状态演化到另一个微观状态的概率与其逆向演化的比值由环境的温度唯一决定的物理性质。

接下来，他们证明了传统涨落定理在量子强耦合下不再适用，并明确了理论边界。

然而，真正的挑战在于如何修补之前的漏洞，构建一个在所有参数空间内都能稳固站立的广义涨落定理。

“这要求我们不仅要理解量子系统与外部环境间复杂而微妙的相互作用，还要具备创新思维，以超越传统框架的方式重构热力学的基本原理。”安钧鸿说。

经过无数次讨论与尝试，该团队最终提出一种创新性解决方案——通过引入“有效温度”概念，巧妙恢复了量子系统在非平衡态下的细致平衡条件。安钧鸿介绍说：“这一概念的引入，如同在量子热力学的复杂迷宫点亮了一盏明灯，使我们能够清晰看到通往广义涨落定理的道路。”

这一研究方法提供了一个探索强耦合量子系统中能量交换规律的标准研究范式，既可以推广到其他系统，也可以用于探索其他热力学量的量子涨落定理。研究提出的广义量子涨落定理提供了一项量子热的全面研究，深化了量子热力学的研究范畴，重塑了人们对强耦合系统中量子热涨落特性的理解。

这也为该团队下一步探索非平衡量子热机提供了一个非常有效的调控机制——通过优化耦合强度，提升热交换效率。

在热机循环中，传统热力学限制了能量传输的调控，而广义量子涨落定理揭示了其独特的非平衡能量交换特性，能够精准控制能量传输，有望超越传统热机效率。这一发现也为非平衡热力学定律的建立提供了新思路。

在传统热力学框架内，吸、放热过程的能量传输取决于两个热库的温差，是不可调控的。“在量子热力学框架下，我们通过广义量子涨落定理，能精细调控这些非平衡特性，实现对能量传输的精准控制，突破传统热机的性能限制。此定理不仅为构建高效非平衡量子热机提供了有效的调控策略，还有望引领量子能源技术的潜在革新。”安钧鸿说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.050401