量子热泵：一种新的物理学测量工具

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来源：代尔夫特理工大学

该设备的插图，由两个超导电路组成：一个冷高频电路（蓝色）和一个热低频电路（红色）。在这里，在红色电路中流动的电流产生振荡的磁场，从而导致光子-压力耦合。通过向蓝色高频电路发送强信号，该信号被转换为能够检测红色电路中频率光子的传感器，灵敏度要高得多。

来自代尔夫特理工大学、苏黎世联邦理工学院和蒂宾根大学的物理学家建造了一个由光粒子制成的量子尺度热泵。该设备使科学家更接近测量射频信号的量子极限，这可能有助于寻找暗物质。他们的作品于8月在《科学进步》上作为开放获取文章发表。

如果你将两个不同温度的物体放在一起，例如将一瓶温暖的白葡萄酒放入冷藏箱中，热量通常朝一个方向流动，从热（葡萄酒）到冷（冷藏包）。如果你等得足够长，两者将达到相同的温度，这一过程在物理学中被称为达到平衡：热流以一种方式和另一种方式之间的平衡。

如果你愿意做一些工作，你可以打破这种平衡，让热量以“错误”的方式流动。这是冰箱中用来保持食物凉爽的原理，也是高效的热泵中用来从外面的冷空气中偷取热量来温暖你的房子。在他们的出版物中，加里·斯蒂尔和他的合著者展示了热泵的量子模拟，导致被称为光子的基本量子粒子“逆流”从热物体移动到冷物体。

暗物质信号

虽然研究人员在之前的一项研究中已经将他们的设备用作热射频光子的冷水浴，但他们现在设法同时将其转换为放大器。使用内置放大器，该设备对射频信号更敏感，就像超导量子处理器发出的放大微波信号一样。

“我们可以接近测量射频信号的量子极限，否则很难测量的频率。这个新的测量工具可能有很多应用，其中之一是寻找暗物质。”

量子热泵

该设备被称为光子压力电路，由硅片上的超导电感和电容器制成，冷却到绝对零温度仅几毫度。虽然这听起来很冷，但对于电路中的一些光子来说，这个温度非常热，它们被热能激发。使用光子压力，研究人员可以将这些激发的光子与高频冷光子耦合，这允许他们在之前的实验中将热光子冷却到量子基态。

在这部新作品中，作者增加了一个新的转折：通过向冷回路发送额外的信号，他们能够创建一个电机来放大冷光子并加热它们。同时，额外的信号优先将光子“泵”在两个电路之间的一个方向上。通过将光子向一个方向比另一个方向更用力地推，研究人员能够将电路一部分的光子冷却到比另一部分更冷的温度，为超导电路中的光子创建热泵的量子版本。

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