量子電池充電新思路:逆轉時間獲取能量
物理學家已經證實，對某些量子系統而言，時間可以被有效地“反轉”。這將開辟壹種新的能量獲取途徑——這種能夠“逆轉”量子系統中時間流向的方法，未來或許能被用於協助為量子電池充電。
“時間之箭”
對於我們在宇宙中觀察到的每壹個過程，事件似乎只朝壹個方向發生（如雞蛋打破不會復原、記憶只記過去等），遵循壹種明顯的“時間之箭”（arrow of time）。然而，在（牛頓力學、電磁學、量子力學等）大多數物理定律和方程式中，無論時間向前或向後流動，都能同樣成立——即都是時間反演對稱（time-reversal symmetric）的：把“t”換成“-t”，方程式仍然成立。
物理學家對於“觀測到的‘時間之箭’是向前的”與“物理定律允許的（時間）雙向流動”之間為何存在差異，有各種不同的解釋。例如，熱力學第贰定律指出，系統隨著時間推移會傾向變得更無序（熵增加），從而產生了壹個特定的時間方向。
在量子世界中，“時間之箭”的定義則有所不同。量子過程，如同經典物理定律壹樣，理論上可以朝任壹時間方向運行；而我們可以透過比較“對量子系統的實際觀測結果”與“對該量子系統該如何隨時間變化的理論計算”，來定義“時間之箭”。當這些結果符合某種特定的統計模式時，我們可以說該系統正朝著時間的前方運行。
也就是說，在經典物理學裡，觀測壹個物體對物體本身幾乎沒有影響；但在量子物理學裡，每壹次測量都會隨機擾動系統的狀態，這種不可逆的擾動累積起來，就產生了時間朝單壹方向流動的統計偏向，也就是量子系統中“時間之箭”的起源。
藉量子軌跡的可逆性 呈現時間倒置般的效果
現在，美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory，LANL）的路易斯‧佩德羅‧加西亞-平托斯（Luis Pedro García-Pintos）及其同事，找到了壹種方法（操控這個擾動過程），能夠透過對測量對量子系統造成的改變進行“反向工程”並有效地將其抵消，從而模擬這種統計特征，使得在觀察者看來，該量子系統仿佛正在時間中倒退運行。
“我們對系統施加場與控制工具，借此逆轉因測量而產生的變化。”加西亞-平托斯說，“如果測量原本會把我的系統推向上，我就能讓它回退向下。由於我們能夠抵消這些測量的實際影響，所以我們可以產生更符合‘過程是向後發生’而非向前的粒子軌跡。”
操縱“時間之箭”從中獲得能量的機制
舉例來說，研究團隊指出，你可以對量子電腦的基本運算單元——量子位元（qubit）——操縱其“時間之箭”。方法是，測量其某項特性（例如其自旋），但這種測量必須以“間接”的方式進行，以避免破壞量子位元脆弱的量子態，進而達成在量子位元隨時間變化的過程中，對其進行持續觀測。接著，研究人員便能利用此訊號，借由施加微波輻射脈沖，來計算並改變“時間之箭”的呈現方式。
加西亞-平托斯表示，這項技術也可能允許從必須進行測量的量子系統中獲取能量，這對未來開發“量子電池”或“微型量子引擎”等應用可能大有幫助。這是因為，每當對量子系統進行測量時，實際上都會將能量注入該系統之中。
而借由精確調整以模擬不斷變化的量子“時間之箭”，可以有效地重新導引這些能量，並將其收集以供其它用途。
加西亞-平托斯表示：“結果就是，你從中獲得了能量。你擁有壹種能將測量視為熱力學資源來使用的機制。”
該研究已於2月發表在《物理評論X》（Physical Review X）科學期刊。
電池示意圖 (Shutterstock)
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還沒人說話啊，我想來說幾句
“時間之箭”
對於我們在宇宙中觀察到的每壹個過程，事件似乎只朝壹個方向發生（如雞蛋打破不會復原、記憶只記過去等），遵循壹種明顯的“時間之箭”（arrow of time）。然而，在（牛頓力學、電磁學、量子力學等）大多數物理定律和方程式中，無論時間向前或向後流動，都能同樣成立——即都是時間反演對稱（time-reversal symmetric）的：把“t”換成“-t”，方程式仍然成立。
物理學家對於“觀測到的‘時間之箭’是向前的”與“物理定律允許的（時間）雙向流動”之間為何存在差異，有各種不同的解釋。例如，熱力學第贰定律指出，系統隨著時間推移會傾向變得更無序（熵增加），從而產生了壹個特定的時間方向。
在量子世界中，“時間之箭”的定義則有所不同。量子過程，如同經典物理定律壹樣，理論上可以朝任壹時間方向運行；而我們可以透過比較“對量子系統的實際觀測結果”與“對該量子系統該如何隨時間變化的理論計算”，來定義“時間之箭”。當這些結果符合某種特定的統計模式時，我們可以說該系統正朝著時間的前方運行。
也就是說，在經典物理學裡，觀測壹個物體對物體本身幾乎沒有影響；但在量子物理學裡，每壹次測量都會隨機擾動系統的狀態，這種不可逆的擾動累積起來，就產生了時間朝單壹方向流動的統計偏向，也就是量子系統中“時間之箭”的起源。
藉量子軌跡的可逆性 呈現時間倒置般的效果
現在，美國新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory，LANL）的路易斯‧佩德羅‧加西亞-平托斯（Luis Pedro García-Pintos）及其同事，找到了壹種方法（操控這個擾動過程），能夠透過對測量對量子系統造成的改變進行“反向工程”並有效地將其抵消，從而模擬這種統計特征，使得在觀察者看來，該量子系統仿佛正在時間中倒退運行。
“我們對系統施加場與控制工具，借此逆轉因測量而產生的變化。”加西亞-平托斯說，“如果測量原本會把我的系統推向上，我就能讓它回退向下。由於我們能夠抵消這些測量的實際影響，所以我們可以產生更符合‘過程是向後發生’而非向前的粒子軌跡。”
操縱“時間之箭”從中獲得能量的機制
舉例來說，研究團隊指出，你可以對量子電腦的基本運算單元——量子位元（qubit）——操縱其“時間之箭”。方法是，測量其某項特性（例如其自旋），但這種測量必須以“間接”的方式進行，以避免破壞量子位元脆弱的量子態，進而達成在量子位元隨時間變化的過程中，對其進行持續觀測。接著，研究人員便能利用此訊號，借由施加微波輻射脈沖，來計算並改變“時間之箭”的呈現方式。
加西亞-平托斯表示，這項技術也可能允許從必須進行測量的量子系統中獲取能量，這對未來開發“量子電池”或“微型量子引擎”等應用可能大有幫助。這是因為，每當對量子系統進行測量時，實際上都會將能量注入該系統之中。
而借由精確調整以模擬不斷變化的量子“時間之箭”，可以有效地重新導引這些能量，並將其收集以供其它用途。
加西亞-平托斯表示：“結果就是，你從中獲得了能量。你擁有壹種能將測量視為熱力學資源來使用的機制。”
該研究已於2月發表在《物理評論X》（Physical Review X）科學期刊。
電池示意圖 (Shutterstock)
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