科學家揭示了開發高效量子設備的令人興奮的可能性。量子力學是物理學的一個分支，探索原子和分子等極小尺度粒子的特性和相互作用。這促使人們開發出比傳統技術更強大、更有效率的新技術，從而在運算、通訊和能源等領域取得突破性進展。

量子引擎壓縮玻色子粒子氣體，並減壓費米子粒子氣體。圖片來源：Mirijam Neve

引擎設計的量子飛躍在沖繩科學技術研究所（OIST），量子系統部門的研究人員與凱澤斯勞滕-蘭道大學和斯圖加特大學的科學家合作，根據粒子在極小尺度上遵守的特殊規則設計並製造了一種發動機。他們開發出一種利用量子力學原理產生動力的發動機，而不是通常的燃料燃燒方式。描述這些成果的論文由OIST 研究人員Keerthy Menon、Eloisa Cuestas 博士、Thomas Fogarty 博士和Thomas Busch 教授共同撰寫，並發表在《自然》（Nature）雜誌上。比較經典引擎和量子發動機在典型的經典汽車引擎中，燃料和空氣的混合物在一個腔體內被點燃。爆炸產生的熱量加熱腔體內的氣體，進而推動活塞進出，產生功使車輪轉動。在他們的量子引擎中，研究人員透過改變氣體中粒子的量子性質來取代熱量的使用。要理解這種變化如何為引擎提供動力，我們需要知道，自然界中的所有粒子都可以根據其特殊的量子特性被劃分為玻色子或費米子。在量子效應變得非常重要的極低溫度下，玻色子的能量狀態低於費米子，這種能量差可以用來為引擎提供動力。量子引擎不像經典引擎那樣循環加熱和冷卻氣體，而是透過將玻色子變成費米子再變回玻色子來運作。“要把費米子變成玻色子，可以把兩個費米子組合成一個分子。這個新分子就是玻色子。將其分解後，我們就能再次找回費米子。”量子系統組組長托馬斯-布施（Thomas Busch）教授解釋說：”通過循環這樣做，我們可以在不使用熱量的情況下為發動機提供動力。”量子引擎的效率和潛力雖然這種引擎只能在量子態下工作，但研究團隊發現它的效率相當高，在德國合作者建立的現有實驗裝置下，效率最高可達25%。這種新型引擎是量子力學領域一個令人興奮的發展，有可能進一步推動新興量子技術領域的進步。但這是否意味著我們很快就能看到量子力學為汽車引擎提供動力？Keerthy Menon 解釋說：”雖然這些系統的效率很高，但我們只是與實驗合作者一起進行了概念驗證。要製造出有用的量子發動機，還有許多挑戰。”如果溫度過高，熱量會破壞量子效應，因此研究人員必須盡可能保持系統低溫。然而，為了保護敏感的量子態，在這種低溫下運行實驗需要大量能量。研究的下一步將涉及解決系統運作的基本理論問題、優化其性能，以及研究其對其他常用設備（如電池和感測器）的潛在適用性。