近日，南方科技大学物理系副教授鲁大为团队在量子热力学领域取得进展，利用核磁共振技术在分子层面实现了一种不需要外界额外做功驱动的量子制冷过程，相关成果以“Experimental realization of self-contained quantum refrigeration”为题发表在学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters)上。

一直以来，制冷过程都是热力学重要的研究内容，被广泛应用于人们的日常生活以及工业或科学领域中。例如，空调制冷在炎热的夏天给人带来清凉，冰箱制冷便于人们保存食物等，物理中超导现象的发现与制冷技术的进步密不可分。目前，大多数量子计算平台也离不开低温的环境。

通常来讲，要实现制冷效果，需要消耗资源对制冷系统做功。后来，量子热力学的研究逐渐改变了这种认识。麦克斯韦曾经提出过一种基于智慧生物的制冷模型，智慧生物可以在这种模型中分别控制系统中较安静（低温）和较活跃（高温）的粒子，将他们分离从而实现制冷效果，这在当时人们看来是违反热力学定律的。然而，之后的研究证明，这种制冷模型利用了信息资源，而信息的擦除仍然需要对系统做功。因此，这样的制冷过程仍然需要做功来支持。

不需要外界额外做功就能实现的制冷操作，由科学家 Noah Linden，Sandu Popescu 和 Paul Skrzypczyk 三人提出。他们在研究热力学模型的最小规模时，基于量子的三体相互作用构造了一种由自旋1/2系统构成的最小冰箱。这一冰箱的工作完全由三体相互作用下的自由演化驱动，不需要任何外界环境对其做功，这种性质被称为自给自足（self-containment）。

图1 自给自足的制冷过程，当三个自旋1/2系统能级差满足时通过演化交换和两个态的布居度能够实现对的制冷

然而，实现某种形式的三体直接相互作用是一个难题，为了演示这种利用三体自由演化构造的自给自足冰箱，研究人员使用量子模拟的方法，将一个复杂的演化分解为多个单体或两体的演化操作，通过依次实现这些简单的操作来等效地实现。基于核磁共振量子模拟器，团队人员将这个三体自由演化严格分解为40步简单操作，通过核磁共振技术，操控由分子所表示的量子系统依次完成操作，最终实现了对分子中部分原子核的降温。同时，由于核磁共振系统的特性，在进行分步操作时，虽然部分操作需要外界消耗资源对系统做功，但也有操作会对外界做功储存资源。整个操作消耗和储存的资源恰好相互抵消，不需要外界额外对系统做功。因此，这个制冷模拟过程本身也是自给自足的。

图2 模拟过程中每一步操作外界对系统做功值，由正的部分也有负的部分，但最后的累计值为0

此外，研究人员还通过对此制冷过程进行理论和实验分析，得到了其在不同情况下的工作表现以及能够有效制冷的工作条件。他们发现对于三个涉及降温的系统，除去被降温的部分之外，另外两个系统需要存在温度差，并满足一定的条件，才能使整个制冷过程有效运行。这意味着此制冷过程是由热流驱动的，从经典上可以将其视为热机和冰箱的结合，热机部分利用从高温到低温的热流做功，并将这部分产出提供给冰箱，使其工作制冷，在量子层面这些仅仅通过一个自由演化就能够实现。也正因如此，虽然自给自足的制冷过程没有外界额外做功来驱动，但其工作过程也消耗了某种资源，这正符合热力学第二定理的要求。

图3 在固定第一个被降温系统温度的情况下，选取其余两部分系统温度为不同值时的工作状况，蓝色为有效制冷区域，红色为无效工作区

该研究中关于核磁共振量子系统中功和热等能量的分析，为量子热力学领域的进一步实验研究提供了参考，有助于研究人员在更多量子系统中进行热力学问题的讨论。此外，该量子层面、不需要外界驱动的制冷过程将有望被应用于未来的量子计算机中，通过对量子比特制冷降温，能够降低其在进行量子计算任务时出现错误的概率，从而提高计算的准确性。

该论文的第一作者为南科大量子科学与工程研究院2022级硕士生黄克毅，通讯作者为物理系副教授鲁大为、物理系研究助理教授聂新芳。南科大为论文第一单位。此项研究得到了科技部、国家自然科学基金委、广东省科技厅、深圳市科创委的大力支持。

文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.132.210403