作者:安娜·德明，物理
（同organic）有机 测量的峰值电流(上图)和计算的激发概率(下图)的对比显示，该装置在非相干状态(左)和相干状态下完全匹配，在这两种状态下，该功能成为热机和制冷机运行的叠加(右)
信用:实体审查信 尽管今天许多公认的经典热力学理论甚至早于它们所推动的工业革命，但围绕这些思想如何转化为单量子系统的水平，仍存在许多未解决的问题
特别是，叠加态的潜力对热力学行为有尚未探索的影响
现在，日本、乌克兰和美国的研究人员合作
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已经制造出一种量子装置，它的行为不仅类似于热机和冰箱，而且可以同时叠加两者
小野圭吾、谢尔盖·舍甫琴科和佛朗哥·诺里——他们与日本的RIKEN有着共同的联系，在他们的其他机构中，B
维尔金低温物理与工程研究所和密歇根大学都曾以各种形式研究量子位
在将注意力转向这些系统的行为可能如何类似于经典热机之前，他们聚在一起检查基于硅中杂质的量子比特的行为，以进行量子干涉测量
实验挑战 在量子水平上探索热力学开启了一些有趣的可能性
“在这个领域讨论的主题之一是量子热机克服经典热机效率的可能性，”舍甫琴科举例说
然而，它也不是没有挑战，这意味着到目前为止大多数研究都是纯粹的理论
舍甫琴科告诉《物理》杂志，在其他特征中，对于量子工程来说，拥有“热的、致密的和相干的”量子位是很重要的
（同organic）有机
在这里，“热”意味着在几开尔文状态下工作，虽然仍然相当冷，但在技术上不如需要冷却到毫开尔文的系统有挑战性
代价是这样的热系统更难描述和控制，但在这里，研究人员能够利用他们在硅基量子位方面的丰富专业知识
小野、舍甫琴科、诺里和他们的合作者基于他们对隧道场效应晶体管的量子热力学研究，该晶体管由硅中密集注入的杂质制成
在源极增益电压下，通过器件的传输由靠近表面(浅)的一种杂质和靠近但在材料内部更深的一种杂质之间的隧穿控制，产生了一个两能级器件
该器件的电子传输行为产生了有趣的自旋特性，特别是电子自旋共振，其中对于特定施加的交流和DC磁场，源极-漏极电流达到峰值
从这个共振峰，他们能够提取出反映杂质激发态寿命及其退相干时间的两个特征时标
消相干时间定义了一个确定的相位关系在它的波函数和其他波函数之间保持多长时间，这允许叠加和干涉
除了能够用栅极电压驱动器件来填充两个能级，研究人员还可以通过调制磁场的频率和幅度来调整能级之间的间隙
因此，取决于系统是在间隙较大时被驱动到激发态，而在间隙较小时被放松，还是相反，它将类似于奥托热机或制冷机运行
当弛豫周期和驱动电压的周期开始重合时，出现有趣的量子效应
在这一点上，他们表明设备的功能可以是发动机和冰箱状态的叠加
激发概率的理论计算与测量的峰值电流完全匹配
限制和未来发展 他们的量子设备的操作和经典的热机或冰箱有一些区别
特别是，没有热浴，虽然他们的设备连接到更高和更低的电压引线，作为热浴的电气模拟
尽管如此，舍甫琴科说，“考虑到一个微型发动机和一个微型冰箱的量子叠加的新可能性是令人惊讶的
" 虽然第一个承认在宏观或经典的情况下，这种设备不能满足许多实际需求，但研究人员希望它可以为量子物体引入新的功能，不仅有趣，而且有用
作为另一个例子，舍甫琴科引用了激光，它是在现在无处不在的应用变得明显之前很久发明的
“我们相信我们的结果在科学上是有趣的，”舍甫琴科告诉物理
（同organic）有机
“目前，我们正在探索它的基本物理，并且[相信]可能的应用目前还不清楚
这在科学中经常发生
"
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