量子力学是物理学的一个分支，研究极小尺度粒子(例如原子和分子)的性质和相互作用。这导致了比传统技术更强大、更高效的新技术的发展，在计算、通信和能源等领域取得了突破。
在冲绳科学技术研究所(OIST)，量子系统部门的研究人员与凯泽斯劳滕-兰道大学和斯图加特大学的科学家合作，设计和建造了一种基于粒子遵守的特殊规则的发动机在非常小的尺度上。
他们开发了一种利用量子力学原理来产生动力的发动机，而不是通常的燃烧燃料的方式。描述这些结果的论文由OIST研究人员KeerthyMenon、EloisaCuestas博士、ThomasFogarty博士和ThomasBusch教授共同撰写，并发表在《自然》杂志上。
在传统的汽车发动机中，通常在燃烧室内点燃燃料和空气的混合物。由此产生的爆炸会加热腔室中的气体，进而推动活塞进出，产生转动汽车车轮的功。
在他们的量子引擎中，科学家们通过改变气体中粒子的量子性质来取代热量的使用。为了理解这种变化如何为发动机提供动力，我们需要知道自然界中的所有粒子都可以根据其特殊的量子特性分为玻色子或费米子。
在非常低的温度下，量子效应变得很重要，玻色子的能态比费米子低，这种能量差可以用来为发动机提供动力。量子发动机不像传统发动机那样周期性地加热和冷却气体，而是通过将玻色子转变为费米子然后再转变回来来工作。
“要将费米子变成玻色子，你可以将两个费米子组合成一个分子。这个新分子就是玻色子。将其分解可以让我们再次检索费米子。通过循环这样做，我们可以在不使用热量的情况下为发动机提供动力”，量子系统部门负责人ThomasBusch教授解释道。
虽然这种类型的引擎只能在量子态下工作，但研究小组发现其效率相当高，在德国合作者目前建立的实验装置中可以达到25%。
这种新引擎是量子力学领域的一项令人兴奋的发展，并有可能推动量子技术这一新兴领域的进一步进步。但这是否意味着我们很快就会看到量子力学为我们的汽车发动机提供动力?“虽然这些系统非常高效，但我们只是与实验合作者一起进行了概念验证，”KeerthyMenon解释道。“构建有用的量子引擎仍然面临许多挑战。”
如果温度过高，热量会破坏量子效应，因此研究人员必须尽可能保持系统低温。然而，这需要大量的能量在如此低的温度下运行实验，以保护敏感的量子态。
研究的下一步将涉及解决有关系统运行的基本理论问题，优化其性能，并研究其对其他常用设备(例如电池和传感器)的潜在适用性。