窗戶是個好東西，從窗戶可以看到對面的公園或辦公室外的鳥語花香。但是，窗戶也可能不太好。採光（和視野）是一方面，但採光也會帶來熱量，尤其是在炎熱的季節。在量子物理學和機器學習的幫助下，研究人員開發了一種透明窗戶塗層，它既能透進可見光，又能阻擋產生熱量的紫外線和紅外線。這種塗層不僅能降低室溫，還能降低與冷氣有關的能耗，無論太陽在天空中的哪個位置。

在炎熱的天氣裡，家中高達87% 的熱量是透過窗戶散發的。陽光中的紫外線很容易穿過玻璃，使房間升溫，從而增加了您需要打開空調的可能性，或者通過拉上窗簾或拉下百葉窗來放棄任何光線（同樣，也放棄了美景）。不過，聖母大學的研究人員已經開發出一種窗戶塗層，可以阻擋產生熱量的紫外線和紅外線，同時允許可見光進入，從而降低室溫和冷卻能耗。

透明塗層在減少產生熱量的紫外線和紅外線的同時，還能提供完整的視野

聖母大學MÖNSTER 實驗室（分子/奈米級傳輸和能源研究實驗室）負責人羅騰飛說：”就像偏振太陽眼鏡一樣，我們的塗層可以降低入射光的強度，但與太陽眼鏡不同的是，我們的塗層即使在不同角度傾斜時也能保持清晰和有效。”

2022年，羅和他的同事利用平面多層（PML）光子結構製造了一種玻璃塗層。這些堆疊的超薄層具有獨特的折射率，可以根據光的波長選擇性地透射或反射光線。他們將二氧化矽、氧化鋁和氧化鈦堆疊在玻璃基底上，再在上面覆蓋一層薄薄的矽聚合物（PDMS），以反射熱輻射（即受熱表面向各個方向發射的電磁輻射），從而產生了一種透明塗層，他們說這種塗層的性能優於市場上的其他減熱塗層。

研究人員決心改進他們先前的工作。由於窗戶通常是垂直安裝的，一天中直射到窗戶上的陽光會隨著太陽的移動而改變。現有的窗戶塗層往往針對以90 度角進入的光線進行最佳化，因此它們阻擋光線的能力取決於所謂的太陽入射角。中午是一天中最熱的時候，太陽光以斜角射入窗戶，這意味著大多數塗層的阻擋效果較差。

研究人員並沒有採用試誤法來解決這個問題，而是使用了量子計算輔助機器學習模型。具體來說，他們使用了主動學習和量子退火，前者是機器學習的子集，其中學習演算法可以互動式地詢問用戶以標註數據，後者則利用量子物理學來尋找最優或接近最優的元素組合。

量子輔助主動學習方法使研究人員能夠優化PML 結構的配置，並為他們帶來了絕對的優勢，羅告訴《新圖集》。 “它可以用來解決非常複雜的最佳化和設計問題，」他說。 “這項工作中的複雜最佳化問題很難用傳統演算法來解決。”

研究人員利用先前使用過的元件，製造出了一種透明塗層，可以在很大的入射角度範圍內選擇性地透射和反射光線。然後，他們對其進行了測試。鍍膜窗戶和普通玻璃窗戶垂直放置在相同的室外試驗室。研究人員測量了每個室的白天溫度。他們還將玻璃窗水平放置，面向天空，模擬機動車輛的天窗進行測試。與普通玻璃相比，鍍膜玻璃表現出更優越的性能，在各種入射角度下都能將溫度降低41.7 °F 至45 °F（5.4 °C 7.2 °C）。

“陽光與窗戶之間的角度一直在變化，”羅說。 “無論太陽在天空中的位置如何，我們的塗層都能保持功能性和效率。”

為了估算使用光子結構作為窗戶的冷凍節能效果，研究人員使用EnergyPlus 軟體模擬了不同城市標準辦公室的能耗。結果表明，美國所有城市每年可節省高達97.5 兆焦耳/平方公尺。這種節能效果在世界各地的城市都得到了體現，包括熱帶氣候地區的城市。

上圖：地圖顯示美國使用窗戶塗層後估計每年可節省的冷氣能源。下圖：全球16 個選定城市的年冷氣能耗估算。

研究人員預計，他們的新型窗戶塗層將有多種用途，包括商業、住宅建築和汽車。

“我認為它對汽車車窗特別有用，”羅告訴《新地圖集》。 “它可以用作天窗/月窗玻璃。它甚至可以用於擋風玻璃，你必須保持擋風玻璃的透明，但它會洩露大量的空間加熱紫外線和紅外線（紅外線）陽光。”

研究人員仍需確定窗口塗層的可擴展性。 “這還不得而知，”羅說。 「我不能說它是否……更便宜，但隨著我們努力擴大規模，它們可能會很便宜。這種塗層可以使用工業規模的塗層工藝製造。塗層中的材料都是非常普通的材料（沒有外來材料）。”

這項研究發表在《細胞報告物理科學》雜誌。