利用“量子纠缠”提供动力！科学家开发出一种高效量子发动机

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

太空旅行在很多科幻电影中，已经是特别简单的事了。在电影《流浪地球》中，人类都已能带着地球去流浪了。虽然科幻作品的描写总有些夸张，但是，其实这也不是完全没有科学依据。现在，有一种新技术，有望在未来，带你去茫茫太空看一看。

文 | 梅林

你是不是觉得，现在人类已经实现了太空旅行，去太空看一看没什么稀奇的？现在的航天器主要利用火箭产生的动力飞上太空，登陆月球和火星，甚至飞到太阳系的边缘。但如果想要飞出太阳系，去太空深处旅行，火箭似乎就不大好用了。用火箭提供动力的航天器，哪怕是现在最快的太空飞船，飞到距离地球最近的星系，也得 80000 年的时间。

为此，一些科学家想到了离子发动机技术。他们认为，离子发动机能让航天器飞得更快，只需大约 100 年就能飞到银河系外，离我们最近的星系。

为什么选择离子发动机？

科学家之所以选择离子发动机，是因为它有火箭发动机所没有的优点。

在火箭发动机中，一些容易燃烧的化学物质，比如氢，和氧气一同燃烧，产生大量高温高压的气体。这些气体从喷口喷出，为航天器提供动力。离子发动机的基本原理与火箭发动机完全一样。离子发动机利用电场为离子加速，然后将高速运动的离子从喷口喷出，推动航天器运动。

从燃料效率方面来看，火箭把燃料蕴含的能量转化成推力的效率并不高，只有 35%，而且燃料消耗得快，这就限制了航天器的飞行距离。否则，就必须携带大量的燃料，这样反倒不利于航天器的长途太空旅行。而离子发动机与火箭相比，虽然产生的推力很小，而且加速又慢，但离子发动机的燃料消耗得也慢，因此只需很少的燃料就能飞行更长的时间，更远的距离。

现在，离子发动机已经在航天领域有了广泛的应用。科学家希望，把离子发动机也应用在飞机上。2018 年，麻省理工学院（MIT）的空气动力学家史蒂文・巴雷特（Steven Barrett）带领的团队试验了一种用离子发动机驱动的飞机。飞机靠橡皮筋弹射起飞，在空中平稳飞行了 55 米，历时 12 秒。不过，在实验室里测试的飞机都很小很轻，目前科学家还没有办法造出一种离子发动机，让更大更重的飞机飞起来。

现在看起来，离子发动机仅仅停留在理论层面。最近的一项新成果，让量子发动机看起来比离子发动机更具可行性。

利用"量子纠缠"产生动力

近期，日本冲绳科学技术大学院大学、德国凯泽斯劳滕大学和斯图加特大学的科学家，利用量子力学原理设计并制造出了一种量子发动机。与传统发动机不同，这种量子发动机不依赖化石燃料的燃烧产生能量，提供动力。这与离子发动机是一样的。

那么，量子发动机是怎样利用量子力学原理工作的呢？根据量子特性的差异，自然界中的所有粒子可以分为玻色子和费米子两种。在温度非常低的时候，玻色子比费米子的能态更低。量子发动机就是利用粒子在这两种能态之间的转换，来产生动力的。

在量子发动机中，费米子和玻色子这两种能态不同的粒子的量子特性不同。其中，费米子的体积更大，因此这两种粒子的相互转化就能产生动力。（图片来源：Mirijam Neve, OIST）

传统发动机依靠燃料燃烧产生热量来工作，其间大部分热量都浪费掉了，真正用于提供动力的热量很少，但在量子发动机中，不依赖于热量，也就没有如此大的能量浪费，效率更高，还更环保（不使用化石能源、不释放热量）。而与离子发动机相比，量子发动机产生的动力又足够强劲，未来利用量子发动机推动飞机、汽车、航天器等更具可行性。