乍一看，热和冷与量子物理学没有多大关系，单个原子既不热也不冷。传统上，温度只能定义在由许多粒子组成的物体上。但是透过维也纳工业大学与柏林大学、新加坡南洋理工大学和里斯本大学的合作，现在已经可以展示热力学和量子物理学相结合时出现的可能性：一个专门可以使用量子效应来进一步冷却的超冷原子云。

无论以前使用过什么复杂的冷却方法，这项技术有可能更接近绝对零度。该研究成果已在科学杂志《Physical Review X-Quantum》上发表。在将这个新的冷却概念变成真正的量子制冷机之前，还有很多工作要做，但初步的实验已经表明，它在原则上是可行的。

柏林自由大学的Eisert教授说：“很长一段时间以来，热力学一直在经典机械中扮演着重要的角色，比如蒸汽机或内燃机。今天量子机器的开发规模还很小。但到目前为止，热力学在这方面几乎没有发挥作用。”

维也纳理工大学的Marcus Huber教授说：“如果你想建造一台量子热机，你必须满足两个从根本上互相矛盾的要求。它必须是一个由许多粒子组成的系统，在其中你无法精确控制每个细节。否则你就不能说是热。同时，这个系统必须足够简单且精确可控，还不会破坏量子效应。否则，你就不能说是量子机器。”

维也纳工业大学的Jörg Schmiedmayer教授表示：“早在2018年，我们就提出了利用多体量子系统的量子场描述将热机的基本原理转移到量子系统的想法” 。现在，来自维也纳工业大学和柏林工业大学的研究小组详细研究了如何设计这样的量子热机器。

这种机器遵循的是普通冰箱的工作原理：最初，所有东西的温度都是一样的，包括冰箱内部、环境和冷却剂。但是当蒸发掉冰箱里的冷却剂时，热量就被提取出来。当冷却剂再次液化时，热量被释放到外面。因此，通过提高和降低压力，就有可能冷却内部并将热量传递到环境中。

问题是这样的过程是否也有量子版本？Jörg Schmiedmayer教授说：“我们的想法是使用玻色-爱因斯坦凝聚态来研究这种物质的极冷状态。近年来，在电磁场和激光束的帮助下，我们在非常精确控制和操纵这种冷凝物方面获得了很多经验，研究了量子物理和热力学之间的一些基本现象。自然而然我们的下一步工作就是量子热机。”

玻色-爱因斯坦凝聚体被分成三个部分，它们最初有相同的温度。Marcus Huber解释说：“如果你以正确的方式耦合这些子系统，并再次将它们彼此分离，你就可以实现中间的部分就像活塞一样，让热能从一边传递到另一边。其结果是，三个子系统中的一个被冷却下来。”

即使在一开始，玻色-爱因斯坦凝聚也处于非常低的能量状态，但还不是可能的最低能量状态。一些能量量子仍然存在，并且可以从一个子系统改变另一个子系统——这被称为“量子场的激发”。

Marcus Huber说：“在我们的实验中，这些激发起到了冷却剂的作用。然而，我们的系统和传统冰箱有根本的区别，在传统冰箱中，热流只能从一个方向发生，即从热到冷。在量子系统中，这要复杂得多，能量也可以从一个子系统转换到另一个子系统，然后再返回。因此，你必须非常精确地控制哪些子系统应该连接，哪些子系统应该分离。”

到目前为止，这种量子制冷机只是一个理论概念，但实验已经表明，必要的步骤是可行的。维也纳理工大学Joao Sabino说：“既然我们知道这个想法基本可行，我们将尝试在实验室中实施它。我们希望在不久的将来取得成功。”

这将是在低温物理界的壮观一步，因为不管你用什么方法来达到极低温度，你总是可以添加这种新颖的“量子制冷机”作为最后一个额外的冷却阶段，以实现一个更超冷的系统。Jörg Schmiedmayer说：“如果它适用于冷原子，那么我们的想法可以在许多其他量子系统中实现，并会导致新的量子技术应用。”（编译:Julien）