一种包含波的非对称相位传输的非互易装置的制作方法

[0001]
本发明涉及一种包含非互易传输结构的量子装置。所公开的量子装置包含基于波的非对称相位传输的传输不对称性。本发明还涉及一种操作该量子装置的方法以及一个或多个该量子装置在多种不同装置中的使用。


背景技术：

[0002]
为了说明背景技术，参考以下现有技术：1.d.m.pozar,《微波工程》(microwave engineering),约翰
·
威利父子公司出版社，第4版(2012年)。2.n.bahlmann,m.lohmeyer,m.wallenhorst,h.p.hertel,《光学和量子电子学》(optical and quantumelectronics)，30,323(1998年).3.r.j.potton,《物理学进展报告》(rep.prog.phys)，67,717(2004年).4.r.fleury,d.l.sounas,c.f.sieck,m.r.haberman,a.al
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[0003]
非互易装置，即，使波在一个方向上的通过不同于另一方向上的装置，广泛应用于雷达技术[1]和光学领域中[3]。例如，它们也被实现为基于等离激元、磁振子、电磁子和声波的装置(见[2-6])。通过使用拉什巴(rashba)量子环[8,9]或者非对称阿哈罗诺夫－玻姆环[10]，可以实现德布罗意波的非互易装置。基于粒子波函数的干涉，这些装置使粒子优先沿一个方向通过。


技术实现要素：

[0004]
根据本发明的第一方面，一种包括非互易传输结构的量子装置，其特征在于，所述传输结构被设计成使得对于沿向前方向穿过所述传输结构的第一波而言，所述第一波的相位至少部分地守恒，并且对于沿向后方向穿过传输结构的第二波，第二波的相位至少部分地被随机相位替代，使得在向前方向上的相位守恒比在向后方向上的更明显。
[0005]
根据本发明的第二方面，一种操作根据所述第一方面的量子装置的方法，包括向量子装置提供第一波，其中，所述第一波包括具有从热源获得的能量或具有kt阶的能量e的量子，使得kt/10<e<10kt，其中t是环境温度。
[0006]
根据本发明的第三方面，根据所述第一方面的一个或多个量子装置用于一个或多个装置，其中所述第一波包括具有从热源获得的能量或具有kt阶的能量e的量子，使得kt/10<e<10kt，其中t是环境温度；一种利用相干发射和波函数的至少部分坍缩来实现偏离热力学第零定律、第二定律或第三定律中的一个或多个的装置；一种利用量子力学叠加态和波函数的至少部分坍缩来实现偏离热力学第零定律、第二定律或第三定律中的一个或多个的装置；一种利用相干发射和波函数的至少部分量子力学坍缩或量子力学叠加态和波函数的至少部分坍缩以产生或增强系统中波或粒子能量分布密度的不均匀性的装置；一种利用相干发射和波函数的至少部分量子力学坍缩或量子力学叠加态和波函数的至少部分坍缩以使系统脱离热平衡状态的装置；一种利用相干发射和波函数的至少部分量子力学坍缩或量子力学叠加态和波函数的至少部分坍缩以实现在一个物体内部或多个物体之间产生温度差的装置；一种包含干涉仪的装置；以及一种包含用于量子计算、量子数据传输或量子数据存储的模拟或数字系统的装置；一种包含干涉仪的装置；以及一种执行量子计算、量子数据传输、量子数据存储、加热、冷却、物质传输、能量传输或发电的装置。
[0007]
本领域技术人员在阅读以下详细说明并考虑附图后，可以认识到附加特征和优
点。
附图说明
[0008]
附图旨在提供对实施例的进一步理解并包含在本说明中成为本说明的一部分。附图示出了实施例，并与说明书一起用于实施例原理的解释。其他实施例以及实施例的许多预期优势因其通过参考以下详细描述而变得更好理解。
[0009]
图1包括图1a及图1b，示出了根据第一方面的量子装置的第一实施例的示意框图(a)及符号图(b)，所述实施例基于四端口环行器，该四端口环行器包括两个混合耦合器和一个移相器，所述移相器连接在所述混合耦合器和布置在各自两个端口上的两个黑体辐射体之间。
[0010]
图2包括图2a-2c，示出了图1的量子装置，其中从第一端口延伸到第二端口的第一传输路径被标记(a)，图1的量子装置，其中从第二端口延伸到第一端口的第二传输路径被标记(b)，以及图1的量子装置，其中从第二端口延伸到第三端口的第三传输路径被标记(c)。
[0011]
图3包括图3a和3b，示出了一种根据第一方面的量子装置的第二实施例。图3示出了波在图3a中从主体a到主体b以及在图3b中从主体b到主体a传播的时间序列，并标示了波的相位值，其中两个黑体c和d被插入到所示的时间序列中的主体a和b之间的路径中。
[0012]
图4包括图4a和4b，并为说明目的示出了在两条缝中填充黑体辐射体的光学双缝干涉仪的示例(a)以及在两条缝中填充根据第一方面的量子装置的双缝干涉仪的示例(b)。
[0013]
图5包括图5a和5b，示出了图5b中的双缝干涉仪布置在包括反射壁的腔中，其中相干辐射相对于量子器件在向后方向上撞击到干涉仪上(a)，相对于量子器件在向前方向上撞击到干涉仪上(b)。
[0014]
图6包括图6a和6b，并在透视图(a)和功能示意图(b)中示出了商用的三端口光环行器。
[0015]
图7示出了干涉仪的示意图，所述干涉仪包括光纤、根据第一方面的两个量子装置和插入光纤的一个相干辐射原子以及用于接收光衍射图案的屏幕。
[0016]
图8示出了干涉仪的示意图，所述干涉仪包括光路，所述光路包括相干辐射原子、两个收集相干辐射的高反射镜、一个半透明镜以及两个黑体辐射体。
[0017]
图9示出了电子干涉仪示例的示意图，所述电子干涉仪包括电子源、两个量子装置、两个电阻器以及将电子源连接到量子装置和将量子装置连接到电阻器的传输路径。
[0018]
图10包括图10(a)和10(b)，说明了另一个示例的原理，其中二能级系统tls非对称地耦合到手性波导的左右移动通道，其中，所述tls以非线性方式与在波导中传播的光子相互作用，并以不同的强度断相，因此所述tls和所述波导之间的耦合由两个不同的耦合参数g1和g2(a)来规定以及示出了(a)中所示原理的实施装置，其中所述波导闭合成一个环，与空腔a和b耦合充当黑体(b)。
具体实施方式
[0019]
在下文的描述中，可能使用术语“耦合”、“连接”以及其他衍生词汇。应当理解的是，这些术语可能用于表示两个部件相合作或者相互作用，不管其直接机械接触或者电接
触，还是其没有直接机械接触或者电接触，这意味着两个部件之间可以存在一个或多个中间部件。
[0020]
在下文中，可能使用术语“吸收体”、“发射器”或“吸收体/发射器”。应当理解的是，这些术语应理解为可以吸收或发射任何种类的波、粒子和准粒子以及任何种类的辐射的任何种类的部件。这些术语特指黑体辐射体(见下一段)，但也指例如可以吸收或发射电子的电阻器。
[0021]
在下文中，可能使用术语“黑体”和“黑体辐射体”及其衍生词汇。应当理解的是，所述术语用于代指广义上的物体，也包括可以发射或吸收热辐射的固体、液体、气体或等离子体。所述物体可以不是100％黑色(这种物体根本不存在)，也可以不是设计成教科书式的由一个带小开口的空心体组成的黑体辐射体。
[0022]
术语“波”用来描述与量子物体有关的任何波，例如光子的波、粒子或准粒子的德布罗意波。所考虑的波是在基本相互作用过程中产生/修改的，这些过程必须用量子力学来描述，并且可以在[20]中详述的条件下经历量子力学坍缩。此外，术语“波”还包括波包，例如具有高斯包络函数的波包。
[0023]
术语“坍缩”用来描述任何导致量子力学态至少部分地断相退相干的过程。
[0024]
本发明所述的非互易装置根据物体通过该装置的方向打破物体相位守恒的对称性。所述物体可以是粒子，如电子，也可以是波，如光子。为了保持物体的平均能量和动量，所述装置在向前方向上可以像透明的甚至是开着的窗户一样，但在相反方向上则像黑体辐射体，或者更一般的吸收体/发射器，伴随非相干输出。
[0025]
在以下描述和要求量子装置时，应当注意的是，所述术语“量子装置”应作广义理解。关于这里所揭示的装置的功能，这种装置基本上是作为物质波或电磁波的非互易滤波器，例如任何种类的光子、粒子波、准粒子波。关于它的结构，它可以理解为人工或人造结构，例如，电线是用不同的技术方法制造的，包括集成电路技术。然而，它也可以被理解为包含或由化学成分组成，例如，分子、分子化合物、分子环(如带有侧基的苯环)等。此外，它还可以指固体化合物，例如具有发挥该装置功能的晶体结构，或指用这种晶体结构制造的结构。
[0026]
一般来说，除了温度t>0k的热环境(heat bath)外，没有必需的外力将粒子驱动到所述装置中。因此，在下文所示和描述的量子装置示例中，该装置之所以起作用，是因为像光子或电子这样的粒子仅被激发或仅由于其热激发而运动。
[0027]
此外，所述术语“传输路径”可以，但非必须被理解为物质体。在一些装置中，一个物质体，例如一根导线或一根波导管，可以包括一条传输路径。在一些其他装置中，这样的物质体可以包括两条传输路径，即粒子穿过物质体的两个相反方向。在其他一些装置中，该术语不应被理解为由特定材料制成的有形或物质体。更确切地说，它被理解为粒子或波在空间中的虚拟路径，甚至可以被放置在如气体氛围中。
[0028]
注意，如下文所用，一个开口，例如一个狭缝，可以包括多个传输路径。这可以通过一个狭缝的光衍射来理解。在这里，由于在不同的位置或角度通过狭缝的多条传输路径的相位差，形成了特征性的单缝衍射图样。
[0029]
还应注意的是，所述术语“狭缝”和“双狭缝”可指多种几何形状和系统。例如，所述狭缝的开口可以不是完全开放和透明的。也可以使用一个或两个以上的狭缝，这些狭缝也
可以被配置为，例如，通常被描述为波带板、超材料或光学晶体的设置。
[0030]
同样，所述术语“原子”可以指单个原子或分子，也可以指具有以单个原子的行为为特征的多个原子、分子或粒子，无超辐射或存在超辐射。所述术语还包括固体中的缺陷，例如色心，其可以像原子一样吸收和发射波。
[0031]
此外，术语“随机”在这里不仅用来描述完全随机的过程，也可用来描述例如相位分布不规则，使得具有这种相位的波之间的干涉事件受到显著抑制。
[0032]
此外，所述术语“相位相干”并不一定意味着装置中没有发生非弹性的断相散射。事实上，如[11]所示，一些非弹性散射，例如声子散射，与不受散射影响的部分波的相位相干相兼容，并且可能是有益的，或者在某些情况下甚至是装置运行所必须的。因此，术语“相位相干”应理解为包括装置中粒子传输不存在非弹性的断相散射，或者也包括此类事件的存在，前提是存在一部分相位不受断相散射事件的影响的波。
[0033]
此外，在关于一个或多个量子装置或一个或多个量子装置的使用中所提及的任何特征、附注或注释应被理解为还公开了用于使所述量子装置起作用的相应方法特征或方法步骤，或用于在任何种类的较大装置或系统中实现量子装置并驱动该量子装置，以使该较大装置或系统实现其预期功能的相应方法特征或方法步骤。
[0034]
图1包括图1a和1b，并在图1a中示出了根据第一实施例的量子装置的示意框图。图1a的量子装置10包括可以连接在第一端口1和第二端口2之间的非互易传输结构。传输结构的设计使得对于从第一端口1到第二端口2在向前方向上穿过传输结构的第一波，第一波的相位是守恒的，对于从第二端口2到第一端口1在向后方向穿过传输结构的第二波，第二波的相位被具有温度t的黑体8产生的随机相位所代替。
[0035]
根据图1a所示的示例，传输结构包括第一混合耦合器5、第二混合耦合器6和移相器7，其中两个混合耦合器5和6相互连接，并且移相器7连接在两个混合耦合器5和6之间。根据图1a所示的示例，量子装置10包括四端口环行器，其包括第一端口1和第二端口2、第三端口3和第四端口4。在每一个第三端口3和第四端口4处均可以配置吸收体/发射器8和9。在使用例如可见光或红外光谱中的电磁波的光学装置的情况下，这种吸收体/发射器可以由黑体辐射体组成，或者在使用微波波段电磁波的微波装置的情况下，其可以由电阻器组成。
[0036]
所述混合耦合器5和6的主要功能如[1]中第322页后文所述。当一个信号进入在上或下传输路径中的一个的混合耦合器时，它将在它改变到相应的其他传输路径时接收到π/2的相移。当它水平地停留在其传输路径上时，它不会接收到相移。沿箭头方向通过移相器7的信号将发生π的相移，如果它以相反的方向通过移相器7，则不会发生相移。
[0037]
相应地，通过传输结构的信号路径将在下面的图2a到2c中描述。
[0038]
图2a示出了图1的量子装置10，其中标记了从第一端口1到第二端口2的两条传输路径。以字母a标记的第一条传输路径经历π/2的总相移，因为在水平通过第一混合耦合器5和移相器7时没有相移，但是在通过第二混合耦合器6时相移为π/2。第二条传输路径用字母b标记，总相移为π/2。该相移是由于通过第一混合耦合器5时向信号施加π/2的相移而产生的，而当通过所述第二混合耦合器6时没有相移。因此，由于传输路径a和b都经历π/2的相移，各自的波在第二混合耦合器6中汇合时会干涉相长，然后在端口2处离开第二混合耦合器6。
[0039]
图2b示出了图1的量子装置10，其中标记了从第二端口2到第一端口1的两条传输
路径。以字母c标记的第一条传输路径经历3
×
π/2的总相移，因为通过第二混合耦合器6时第一相移为π/2，通过移相器7时第二相移为π，水平通过第一混合耦合器5时没有相移。以字母d标记的第二条传输路径经历π/2的总相移，因为水平通过第二混合耦合器6时没有相移，通过第一混合耦合器5时相移为π/2。
[0040]
由于第一传输路径c经历3
×
π/2的相移，而第二传输路径d经历π/2的相移，因此当两条传输路径c和d在第一混合耦合器5中汇合时具有π的相位差，这意味着它们干涉相消，使得零信号将在第一端口1处离开装置10。
[0041]
图2c示出了图1的量子器件10，其中标记了从第二端口2到第三端口3的两条传输路径。以字母e标记的第一条传输路径的总相移为2π，因为通过第二混合耦合器6时第一相移为π/2，通过移相器7时第二相移为π，通过第一混合耦合器5时第三相移为π/2。这些传输路径中的第二条用字母f标记。该路径的总相移为0，因为水平通过所述第二混合耦合器6时没有相移，并且通过所述第一混合耦合器5时也没有相移。
[0042]
由于传输路径e经历2π的相移，传输路径f经历0的相移，当两条传输路径e和f在第一混合耦合器5中汇合时将具有2π的相位差，这意味着它们干涉相长，然后在第三端口3处离开装置10。
[0043]
应当补充的是，如图2c所示，对于在第三端口3处进入量子装置10并传播到第四端口4的波会出现相同的情况，这意味着，在第三端口3和第四端口4之间的两个传输路径上传播的相应分波在第二混合耦合器6中汇合时将干涉相长，然后在第四端口4处离开装置10。
[0044]
因此，在第一端口1处馈入量子装置10中的波被无失真地传输到第二端口2，并且在第二端口2处馈入量子装置10中的波将被设置在第三端口3处的黑体辐射体8吸收。该吸收引起波函数的量子力学坍缩[17]。该坍缩引起波相位信息的丢失，因此被吸收的波与宏观环境(macroscopic bath)的耗散耦合会引起退相干，从而使量子力学测量过程变得平行[17]。根据统计平均值，黑体辐射体8和9产生第二波，该第二波然后通过所述量子装置10，并在第一端口1离开，这符合热力学第二定律。因此，从第一端口1到第二端口2的波的相位在其单一演变中是守恒的，但是从第一端口1处离开量子装置10的波的相位与从第二端口2处进入的波的相位关联较少或没有关联。此外，转移过程的能量平衡具有非互易性。在从第一端口1到第二端口2的传输路径上移动的波的能量是严格守恒的，在从第二端口2到第一端口1的反向传输路径上的波的能量仅在统计平均值上守恒。
[0045]
在这一点上应该提到的是，量子装置可以具有如图1所示的另一种结构。特别地，混合耦合器5和6可以具有不同的性质，或者甚至可以不存在，如稍后将示出的。另外，所述端口3和4也不必具有物理实体。
[0046]
一般而言，应提及的是，量子装置可以被配置成根据与图1的量子装置相比完全不同的原理来工作。图1的量子装置被构造为静态装置，因此包含固有的非对称性。然而，也可以构造包含可移动元件的量子装置，以便通过这些元件的特定控制下的运动来实现非对称性。此外，还可以提供一种量子装置，该量子装置不包含固有的不对称性，但由于其嵌入到特定的装置或结构中而表现出非对称性。上述的示例将在下面示出并解释。
[0047]
下面的图3将示出并解释根据第一方面的量子装置的另一个实施例。并且如下面将进一步展示的，根据第一方面的量子装置的简单形式可以包含基本上包括用于光子或电子的非弹性散射中心的传输结构。它也可以通过光子情况下的低损耗光开关或电子情况下
的低损耗电子开关来实现。
[0048]
图3包括图3a和3b，并且示出了根据第一方面的量子装置的第二实施例。图3的量子装置15包括第一本体11、第二本体12、第一黑体13和第二黑体14。
[0049]
图3a示出了波在四个不同的时间步骤1-4从第一本体11到第二本体12的通过。图3b显示了波从第二本体12到第一本体11的传播。第一和第二本体11和12也可以是类似于图1的实施例的端口1和2的端口。所述波的相位用φn表示，n＝0，1，2。第一和第二黑体13和14可以在波的路径移入和移出。例如，它们可以由形状适当的旋转圆盘形成。
[0050]
如图3所示，通过按正确的时间顺序适当地移动黑体13和14，波可以不受阻碍地从第一本体11传递到第二本体12，如其恒定相位φ0保持不变所示。然而，从第二本体12到第一本体11的反向传递的波将被第一和第二黑体13和14中的至少一个吸收并统计学地再发射。由于波函数的坍缩，波的初始相位信息丢失。在图3b所示的示例中，具有相位φn的波被第二黑体14吸收，其再次发射具有随机相位φ1的波。该波随后被第一黑体13吸收，该第一黑体13再次发射具有随机相位φ2的波。要指出的是，该实施例可以同时作用于黑体辐射体的整个频谱。
[0051]
根据第一方面的量子装置的第三实施例包括传输结构，该传输结构包括以概率p引起非弹性散射并因此导致光波相位信息丢失的本体，其中将结合图4、5、7和8的实施例来更详细地描述该实施例。
[0052]
根据本公开的第二方面，一种用于操作根据第一方面的量子装置的方法，包括：将所述第一波提供给量子装置，其中，第一波包括具有从热源获得的能量或具有kt阶的能量e的量子，使得kt/10<e<10kt，其中t是环境温度。
[0053]
操作根据第一方面的量子装置的方法可以可选地或另外被定义为包括提供第一波源，其中，第一波源与环境保持热平衡。该环境可以是自然环境，比如室温下的房间，也可以是自然环境下的地方。它也可以是人工环境，例如容纳该装置的腔体，或者例如由水浴槽或热烘箱提供的热环境(thermal bath)。
[0054]
操作根据第一方面的量子装置的方法可以可选地或另外被定义为包括提供第一波源，其中第一波源没有被主动激发，特别是没有受到非热能的主动激发，因此该源可以被主动加热或冷却。
[0055]
在下文中，将参照图4到图9示出并描述根据第一方面的量子装置的可能应用。
[0056]
图4包括图4a和4b，并且涉及使用非对称相位传输来产生非对称干涉的可能性。
[0057]
图4a仅用于说明目的，并且示出了干涉仪20，其包括干涉仪板21和在板21中并排形成的两个狭缝21.1和21.2。两个狭缝21.1和21.2分别填充有黑体辐射体22.1和22.2。在图中进一步示出了当相干辐射从板21的两侧之一撞击到干涉仪20上时会发生什么。两个黑体辐射体22.1和22.2将破坏入射相干波的相位并随机向另一侧发射另一个波，该随机发射的波携带随机的新相位。因此，该黑体辐射体22.1和22.2将向板21的任一侧发射非相干辐射，如气泡状辐射锥所示，该辐射锥通常遵循兰伯特辐射定律(lambert's radiation law)描述的角度依赖关系。
[0058]
另一方面，图4b示出了根据第一方面的量子装置的可能应用的实施例。干涉仪30包括一个干涉仪板31和在干涉仪板31中并排形成的两个狭缝31.1和31.2。量子装置32.1和32.2分别插入狭缝31.1和31.2中。假设两个量子装置32.1和32.2都包含相同的方向取向，
而且还包括如图1所示的量子装置10的方向取向。
[0059]
图6包括图6a和6b，并且示出了常规的商用三端口光环行器，以说明所述量子装置插入所述狭缝31.1和31.2中的方式。
[0060]
如图6a所示，光环行器包括光纤器件的形式，该光纤器件包括在左下端的第一端口1和第三端口3以及在右上端的第二端口2。图6b中的简图示出了光波进出装置的可能路径。端口的名称对应于图1的实施例中的名称，即从左侧入射到该装置上的光必须在端口1处耦合到该装置中，然后在端口2处相干地离开该装置，而从右侧入射到该装置上的光在端口2处耦合到该装置中，然后内部导向到端口3。端口3上将没有外部光纤连接。相反，在端口3，在装置的左侧输出端设置黑体辐射体。此外，不需要如图1的实施例中所提供的端口4。配置两个这样的环行器，每个环行器插入干涉仪的两个狭缝中的一个。端口2处的光纤端必须朝向平行方向，以便它们可以作为双缝正常工作。
[0061]
量子装置32.1和32.2可以根据图1或图3所示的实施例之一来实现。如上所述，量子装置31.1和31.2也可以通过非弹性散射体实现，例如气体或稍微不透明的固体或散射体簇。
[0062]
在图4b中还示出了当相干辐射从干涉仪板31的任一侧撞击到干涉仪30上时发生的情况。当相干辐射从右侧撞击到干涉仪板31上时，即相干波从向后方向穿过量子装置32.1和32.2时，将使其成为纯黑体辐射体。因此，相干波被吸收到量子装置32.1和32.2的黑体辐射体，具有随机相位的非相干辐射从量子装置32.1和32.2中的任何一个发射，并从两个狭缝31.1和31.2散发到干涉仪板31的左侧，如气泡状辐射锥所示。另一方面，如果相干辐射从左侧撞击到干涉仪板31上，则相干波从向前方向通过所述量子装置32.1和32.2，从而使得相干波的相位守恒。因此，发射到右侧的相干波干涉相长，并产生如图所示的典型的双缝衍射图样。
[0063]
图5包括图5a和5b，并且示出了图4b干涉仪30的扩展，其可为一种有益的装置。
[0064]
基本上，干涉仪30被放置在包括壁33a的腔体33中。干涉仪30以干涉仪板31从一个腔壁延伸到另一个相对的腔壁的方式插入腔体33中，从而将腔体33的内部分割成两个由干涉仪板31将其彼此分开的半空间。腔体33的左半部分的壁33a具有镜子，而右半部分的壁33a为黑色。所述壁33a与外部环境(external bath)处于热平衡状态。来自左边的辐射由粒子34产生，粒子34例如作为黑体辐射体的碳粒或原子团。在腔体33左侧的黑体辐射的波前以某种程度的相位相干撞击双缝31.1和31.2的情况下，在腔体33的右半部分形成双缝衍射图样(见图5b)。需要注意的是，腔中热辐射的相位相干长度不是由普朗克的光谱辐射密度[11]定义的。来自其右侧的辐射基本上由来自右半部分的壁33a的黑体辐射组成，并且它以向后方向穿过量子装置32.1和32.2，导致非相干辐射，如左半部分的气泡状锥体所示(见图5a)。因此，腔体33的两个半部分中辐射的空间密度不同。右半部分的干涉特性是不均匀的，可能导致放置在腔体33中不同位置的测试体35的温度差异，一个测试体35放置在干涉最大处，另一个测试体35放置在衍射图样的干涉最小处。测试体35感测到的温差可以转换为有益的电力，例如，通过使用热电偶装置。显然，输出功率可以被优化，例如，通过改变黑体或原子固定的热环境的温度或几何结构，或者通过改变吸收和再发射辐射的原子的数量。
[0065]
值得注意的是，根据目前热力学第零定律和热力学第二定律在教科书[18]中的普遍理解和呈现方式，这种行为并不符合这些定律。一些专家如著名物理学家恩里科
·
费米
(enrico fermi)预料到了这种分歧[e.费米，“热力学”，多佛出版社，1956年]。在[15]中讨论了一个假设系统，其被宣称表明了量子物理和热力学第二定律之间存在一些分歧。然而，正如这些作者所指出的，分歧仅限于只存在于非常低的温度下的量子力学纠缠态，因为这些纠缠态被退相干过程所破坏。此外，所述纠缠必须是多粒子类型的。这些要求使得所提出的系统对于实际实现而言是不切实际的。相比之下，我们的提案不依赖于纠缠，而是依赖于单粒子相干性。定向退相干(定向断相)对于产生所述的违反第二定律的效应来说甚至是必要的，这种效应可能在任意温度下发生。
[0066]
实际上，几十年来人们一直想象着在当时仍是一个假设的违背热力学第二定律的装置会带来哪些优势[19]。
[0067]
然而，正如专家和外行所知，参见[16]或[19]，一种打破热力学第二定律的实用装置，通常被称为第二类永动机，目前仅被猜想。目前的讨论集中在使用在接近绝对零度的温度下发生的量子效应的装置上，特别是量子纠缠，如[16]中所总结。由于缺乏有关实用装置如何工作的想法，这些研究从未实现从猜想设备到正常工作设备的过渡。的确，科学界的大多数成员都相信，这种装置从原则上讲可能永远也不会被制造出来。
[0068]
图7示出了根据所述第一方面的量子装置可能应用的另一实施例。
[0069]
图7示出了光学干涉仪的另一实施例。图7所述干涉仪40包括并入腔体43中的光纤41，腔体43的壁43a与外部环境处于热平衡状态。在所述光纤41长度上的中间位置嵌入一个粒子，例如原子42，该粒子在激发时可以发射单光子，使得每个光子在所述光纤的两个方向上相干地传播。原子42被固定于热环境。根据第一方面提供的第一和第二量子装置45和46，以这样的方式并入光纤41中，即在原子42发射的辐射的两个辐射方向上布置一个量子装置45或46，其中向前方向朝下，向后方向朝上。两个量子装置45、46可以是相同的。在光纤41的下方设有屏幕44，其接收由光纤41的第一和第二输出端41.1和41.2输出的辐射。
[0070]
如白色和黑色箭头所示，原子42发射的辐射穿过量子装置45、46，并在光纤41的两端41.1和41.2处离开光纤41(白色箭头)，并且从屏幕44发出的辐射耦合到光纤41，撞击到量子装置45、46上，然后发出黑体辐射撞击原子42(黑色箭头)。
[0071]
在理想情况下，原子42在两个方向发射的两个波不受干扰地通过两个量子装置45、46，因此它们仍然以零相位差彼此相干。在两个波前离开光纤41的两端41.1和41.2，而仍具有至少某种程度的相位相关的情况下，在屏幕44上产生双缝衍射图样。在反方向上，屏幕44和衍射图样产生相干光波，该相干光波通过两个光纤端41.1和41.2耦合到光纤41中。更具体地，屏幕44上的衍射图样的干涉极大值在光纤41中产生零相位差的相干分波，并且屏幕44上的衍射图样的干涉极小值在光纤41中产生相位差为π的相干分波。两个相干分波撞击到量子装置45，46上，它们的波函数在那里坍缩。因此，量子装置45、46产生具有随机相位的波，其撞击到原子42并被原子42吸收。然后，原子42再次开始产生被发射到右边和左边并且相对相位差为零的相干分波。
[0072]
由于位于衍射峰内部和外部的吸收测试体(未显示)分别接收不同量的入射辐射，因此，处于内部热平衡状态的测试体的温度与最初与腔体的壁热平衡的测试体的温度将开始不同。同样，这种温差可以例如通过使用热电偶装置转换成有益的电能。装置显然也可以用来加热或冷却物体，将热环境的热能用作能量来源。
[0073]
量子装置45和46可以根据图1或图3所示的实施例之一实现。如上所述，量子装置
45和46也可以通过非弹性散射体来实现。
[0074]
图8示出了根述第一方面的量子装置的可能应用的另一实施例。
[0075]
图8显示了干涉仪的另一种形式。图8所示干涉仪50包括一个具有开口端的容纳相干辐射粒子(例如原子52)的反射腔体51、第一和第二高反射镜53和54、两个量子装置55和56、一个半透射镜57以及第一和第二黑体辐射体58和59。原子52固定于热环境。两个量子器件55和56被设定为根据第一方面的量子装置，并且可以相同。箭头指示其各自向前的方向，在此方向上保持相位相干性。
[0076]
反射腔体51包括两个相对的开口，用于两个光束分别沿两个相反的方向从反射腔体51出射。第一和第二高反射镜53和54分别将两束光束偏转到两条光路上，两条光路在理想情况下未受干扰地通过量子装置55和56后在半透射镜57(即非对称分束器)处汇合。通过将半透射镜57的金属涂层定向到左侧，装置被配置使得来自两个量子装置55和56的无相位差的光束仅偏转到第一黑体辐射体58上。
[0077]
在反方向上，黑体辐射体58和59产生非相干黑体辐射，该辐射撞击到半透射镜57上。半透射镜57将从黑体辐射体58和59接收到的波分成各自分波。这些分波是成对相干的，从而黑体辐射体58发射的波产生的分波包含0相位差，而由黑体辐射体59发射的波产生的分波包含π的相位差。量子装置55和56破坏了分波的相位相干性，特别是消除了由于黑体辐射体59的发射产生的分波之间的π相位差。量子装置55和56影响波函数的坍缩，这意味着由于量子力学，到达波要么通过量子装置55，要么通过量子装置56。因此，波从右侧或左侧撞击到原子52上。如果波没有被原子52吸收，它撞击到分束器57上，分束器57在统计平均值上以相等的比例将其偏转到黑体辐射体58和59。
[0078]
第一和第二黑体辐射体58和59最初处于相同的温度并发射相同的辐射功率，但是接收不同功率的辐射。因此，在第一和第二黑体辐射体58和59之间产生了温差，该温差可用于例如发电。
[0079]
还应提到的是，上述量子装置及其应用需要与t>0k的热环境(heat baths)耦合。在简单的情况下，热环境可以由黑体58和59以及量子装置55和56中的黑体提供。所述热环境的介质可以是固体、液体或气体。装置可从一个或多个热环境中提取能量，并将热能传递给一个或多个其他热环境。
[0080]
同样显而易见的是，可以将上述装置实现为并行操作以增强其输出。同样，装置可以串联操作。例如，第二装置可以与被第一装置冷却的第一装置的黑体a1热连接，使得第二装置的黑体a2冷却到比第一装置的黑体a1更低的温度。
[0081]
量子装置55和56可以根据图1、图3或图10所示的实施例之一来实现。如上所述，量子装置55和56也可以通过非弹性散射体来实现，该非弹性散射体以概率p散射。如果按照上述方式进行设置，则可实现装置的运行，因为从黑体59迁移到原子52再回到黑体59的相干波(这些波加热了黑体59，因此对设备操作有害)的相位信息降低(1-p)
×
(1-p)倍，而由原子52产生并移动到黑体58的相干波仅降低p倍。此外，本实施例可同时作用于黑体辐射体的完整频谱。
[0082]
图9示出了在电子干涉仪中使用量子装置的示例。图9的电子干涉仪60包括电子源61、第一量子装置62和第二量子装置63、第一电阻器64和第二电阻器65，第一和第二电阻器64和65都接地。干涉仪60还包括连接电子源61和第一量子装置62的第一端口的第一传输路
径66.1、连接电子源61与第二量子装置63的第一端口的第二传输路径66.2、连接第一量子装置62的第二端口与第一电阻器64的第三传输路径66.3、连接第二量子装置63的第二端口与第一电阻器64的第四传输路径66.4、连接第二量子装置63的第二端口与第二电阻器65的第五传输路径66.5，以及连接第一量子装置62的第二端口与第二电阻器65的第六传输路径66.6。
[0083]
第一和第二电阻器64和65作为电子吸收体和发射器起作用。为了有效吸收电子，它们的电阻可以为50欧姆。例如，电子的产生是通过热噪声发生的，即约翰逊
–
奈奎斯特噪声(johnson/nyquist noise)，这是由于处于平衡状态的电子导体内的载流子的热骚动引起的。
[0084]
干涉仪60被配置成使得电子波在第三、第四和第五传输路径66.3、66.4和66.5上经历相移α，并且电子波在第六传输路径66.6上经历α+π的相移。
[0085]
上述相移可以通过设计以下长度的传输路径来实现。第三传输路径66.3包括长度l1，第四传输路径66.4包括长度l2，第五传输路径66.5包括长度l3，第六传输路径66.6包括长度l4。如果λ是电子波长，则l1-l2＝n，且l4-l3＝m，其中n是λ的整数倍，且m是λ的整数倍加λ/2。
[0086]
电子源61对应于图7的实施例中的原子42或图8的实施例中的原子52。例如，它也可以是一个能够吸收电子并发射电子的原子。它也可以是能够吸收或发射电子的晶体缺陷。在发射电子的情况下，在第一和第二传输路径66.1和66.2上传播的两部分电子波被发射。
[0087]
量子装置62和63可以相同，并且可以配置为非弹性散射中心，例如，晶体缺陷或耦合到晶体中的声子。例如，它们也可以配置为低损耗电子开关，例如fet。
[0088]
传输路径66.1到66.6对应于图8的实施例中的分束器57。
[0089]
图10示出根据本发明的量子装置在光子系统中的使用的实现。光子系统70包括二能级系统tls 71、两个黑体辐射体72和73以及手性波导74的集合。二能级系统71以两个不同的取决于波的传播方向的耦合强度g1和g2耦合到手性波导74。类似的耦合如[21]中所述。在这样的系统中，二能级系统tls 71引发波导74中的光子模态的断相，这取决于光子的传播方向。这种非互易的断相最终导致了两个黑体腔72和73中光子的分布不同。因此，黑体腔72和73之间将形成温差。同样，这种温差可以通过使用热电偶装置转换成有用的电能。
[0090]
应注意，如本发明中所述的量子装置优选地在向前方向传递信息，并且阻止信息在向后方向流动。这种有价值的功能行为在基于常规系统或量子系统的数据传输和存储中有着明显的应用。例如，它提供了这样一种可能性：量子系统的用户将数据写入量子存储器，但无法检索存储在该存储器中的数据，反之亦然。
[0091]
本发明的另一个有价值的方面是，可以容易地控制由量子坍缩驱动的过程。例如，
可以通过阻断部分的传输路径或通过移动或转动一个或多个光学元件来控制该过程。因此，系统可配备用于过程控制的输入终端。
[0092]
本发明还涉及以下进一步方面。这些方面指的是在其中可以实现根据第一方面的量子装置的装置，使得相应的装置实现下文将概述的特定功能。
[0093]
本发明还涉及一种利用相干发射和波函数的至少部分坍缩来实现偏离热力学第零定律、第二定律或第三定律中的一个或多个的装置。
[0094]
本发明还涉及一种利用量子力学叠加态和波函数的至少部分坍缩来实现偏离热力学第零定律、第二定律或第三定律的装置。
[0095]
根据任一上述进一步方面的装置可在10-6
k-4000k范围内的温度下操作。
[0096]
根据任一上述进一步方面的装置可不与量子系统中的环境耦合或纠缠。
[0097]
本发明还涉及一种利用相干发射和波函数的至少部分量子力学坍缩或量子力学叠加态和波函数的至少部分坍缩来产生或增强系统中波或粒子能量分布密度的不均匀性的装置。能量分布可以是至少部分由热能产生的能量分布。
[0098]
本发明还涉及一种利用相干发射和波函数的至少部分量子力学坍缩或量子力学叠加态和波函数的至少部分坍缩来使系统脱离热平衡状态的装置。
[0099]
本发明还涉及一种利用相干发射和波函数的至少部分量子力学坍缩或量子力学叠加态以及波函数的至少部分坍缩来在一个物体内部或多个物体之间产生温度差的装置。
[0100]
在根据任一上述进一步方面的装置中，相移可由该装置的至少一个非互易分量引起。
[0101]
在根据任一上述进一步方面的装置中，波函数的至少部分量子力学坍缩是通过使用宏观物体来实现的，宏观物体可以例如是固体、液体、气体或等离子体。
[0102]
在根据任一上述进一步方面的装置中，波函数在一个物体上的至少部分量子力学坍缩和至少部分吸收之后，紧接着是所述物体对波的统计学再发射。
[0103]
在根据任一上述进一步方面的装置中，在统计学意义上，至少部分量子力学坍缩波被另一个具有随机相位的波替代。
[0104]
在根据上述任一进一步方面的装置中，该装置通过将所产生的辐射密度不均匀性或产生的温差转换成电、辐射、光能或其它形式的能量，或通过以某种其它方式使用所实现的次序来产生有用的功。
[0105]
在根据任一上述进一步方面的装置中，该装置在一个物体内部或多个物体之间传送质量、粒子、能量、热量、动量、角动量、电荷或磁矩。
[0106]
在根据任一上述进一步方面的装置中，该装置对能量、波或物质的存储系统充电，该存储系统例如电容器或电池。
[0107]
在根据任一上述进一步方面的装置中，该装置加热或冷却物体。
[0108]
在根据任一上述进一步方面的装置中，装置的一个或多个物体在相对于室温的另一个基准温度下运行，例如通过使用额外提供的加热或冷却功能。
[0109]
在根据任一上述进一步方面的装置中，使用内部或外部产生的信号来控制该过程。
[0110]
导致明显违反第二定律的关键因素是：分裂成多个波包的粒子状态的产生，多个波包状态的量子力学坍缩，以及通过干涉对单个和多个波包状态的分类，其中后一个步骤
将波包的相干性能转化成有用的输出信号。这些鲁棒的单粒子过程是可扩展的，它们在包括高温在内的宽温域内工作，与标准的房间环境兼容，并且可以在作用于多种量子波(包括电磁波、粒子波和准粒子波)的各种装置中实现。
[0111]
利用相干叠加态和波函数坍缩的装置原理，如所提出的实施例所证明的那样，使光学和电子器件及电路的一个全新种类的到目前为止还没有的功能和应用成为可能。然而，未来的应用也可以包括与本文所述不同的应用，即量子计算、量子通信、密码学、量子信息存储、能量生成和冷却。这一原理将提供新的可能性，例如用于模拟和数字设备、数据处理、存储和传感等。基于波函数坍缩的量子效应也将为功能材料开辟新的可能性，例如在催化领域。
[0112]
虽然已经针对一个或多个实施例说明和描述了本发明，但是可以在不脱离权利要求书的精神和范围的情况下对所示示例进行更改和/或修改。特别是关于上述部件或结构(组件、装置、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类部件的术语(包括对“方法”的引用)旨在对应，执行该组件的特定功能的任何组件或结构(例如，在功能上等效)，即使在结构上不等同于在本文所示出的本发明示例性中执行该功能的所公开结构。