具体实施方式

在以下描述中，可使用术语“耦合”和“连接”以及其衍生词。应当理解的是，这些术语可用于表示两个元件相互合作或相互作用，无论它们是直接的物理接触或电接触，还是它们彼此不直接接触或物理接触或电接触，这意味着在两个元件之间可以有一个或多个中间元件。

在下文中，可以使用术语"吸收器"、"发射器"或"吸收器/发射器"。应当理解，这些术语被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元件。这些术语尤其指黑体辐射器(见下段)，但也指例如可吸收或发射电子的电阻器。

在本公开中，可以使用术语“黑体”和“黑体辐射器”以及其衍生词。应当理解的是，该术语用于指广义上的物体(body)，也指包括可以发射或吸收热辐射的固体、液体、气体或等离子体，但不一定是教科书意义上的黑体。尤其是，这些物体不一定要处于热平衡状态，也不一定要遵循基尔霍夫定律。这些物体可以不是100％的黑体(这种物体根本不存在)，可以设计为或不设计为教科书意义上的、由一个开口很小的空心体组成黑体辐射器。

术语“波”用于描述与量子物体相关的任何波，例如是光子的波或粒子或准粒子的德布罗意波。所考虑的波是在基本的相互作用过程中产生/改变的，这些过程必须从量子力学角度来描述，并且可能在例如参考文献7中详述的条件下发生量子力学坍缩。除此之外，术语“波”还包括波包，例如具有高斯包络函数的波包。

术语“坍缩”用于描述任何导致量子力学态至少部分地相位破缺(phase-breaking)退相干的过程。

当在下文中描述量子装置和请求保护量子装置时，应当注意，术语“量子装置”应当以广义的方式来理解。关于本文所揭示的装置的功能，这样的装置基本上是作为物质波或电磁波的装置，例如光子、粒子波、准粒子波的装置。关于它的结构，可以理解为人工或人造的结构，其中，例如，光传输路径、电磁波导、电线或线路是由不同的技术方法制造的，包括集成电路技术。然而，也可以被理解为由化学成分组成或包括化学成分，例如，分子、分子化合物、分子环如带侧基的苯环等。它还可以指固体化合物，例如具有发挥装置功能的晶体结构，或指在这种晶体结构中制造或由这种晶体结构制造的结构。

此外，术语“传输路径”可以理解为但不用必须理解为是物质体(material body)，在一些装置中，物质体例如一段电线或波导，可以包括一条传输路径。在其它一些装置中，这样的物质体可以包括两条传输路径，即粒子在物质体中传播的两个相反方向。在其它一些装置中，该术语不应理解为由特定材料制造的有形体或物质体。而是要理解为粒子或波在空间中的虚拟路径，甚至可以被置于例如气体氛围中。

同样地，术语“原子”可以指单原子或分子，也可以指具有以单原子的行为表征的特征行为的多个原子、分子或粒子，没有或有超辐射的存在。该术语还包括固体中的缺陷，例如色心，其可以以与原子同样的方式吸收和发射波。原子也可以被固定为比单原子的质量大得多的质量m。

另外，术语“随机”在这里不仅用于描述完全随机性的过程。该术语还用于描述，例如，相位的分布非常不规则，以至于具有这种相位的波之间的干涉事件被显著地压制。

此外，术语“相位相干”并不一定意味着在装置中没有发生非弹性的、相位破缺的散射。事实上，正如参考文献9中所示出的，一些非弹性散射，例如对于声子，与不受散射影响的那部分的波的相干性是相容的，并且可能是有益的，或者在某些情况下甚至是装置运行所需要的。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、相位破缺的散射，或者也包括此类事件的存在，但条件是保留了相位不受相位破缺的散射事件影响的一部分的波。

此外，术语“半透射”并不一定意味着装置的透射率正好是50％。相反，该术语也旨在描述任何透射度在0％和100％之间的部分透射的物体。

此外，与一个或多个量子装置或一个或多个量子装置的应用相关的任何特征、评论或描述，应理解为还公开了用于使量子装置运行或用于在任何种类的更大的装置或系统中实现量子装置并驱动量子装置以使该更大的装置或系统实现其期望的功能的各自的方法特征或方法步骤。

图1示出了嵌入到一维传输结构11中的上述意义上的原子10的表示，该一维传输结构11被配置成使原子10只能在两个相反的方向上发出波。如图中所画的两个分波12和13所示，位于位置R的原子M发出的光子同时向传输结构的左边和右边传播。这些分波(partial waves)可以是例如由平面波或波包形成的，该波包可以是高斯波。波12和13分别以相位和为特征，其中r是空间坐标，t是时间。两个相位之差是一个可测量的量。

图2示出了非对称半透射镜HTM(20)。在图2所示的情况中，半透射镜由例如在其朝向右侧的表面上覆盖例如介电涂层20.2的玻璃板制成的透射板20.1组成。如图2A-D所示，涂层的特性被选择为使得镜子反射一半进入的辐射并让另一半通过。这样的镜子通常用于光学领域，并且在例如参考文献8或参考文献7中进行了描述。图2A解释了从端口A撞击到分光镜HTM上的相位为的波被分成两个具有相同相位的分波。图2B示出了从B端口撞击到分光镜上的相位为的波被分光镜分成两个相位差为Φ＝π的分波。

图2C和2D示出了从端口C和D到达分光镜的两个分波被分光镜合并。如图C和D所示，根据进入的分波的相位差Φ是否等于Φ＝0或Φ＝π，合并后的波分别朝向端口A或端口B离开分光镜。

对于Φ的其它值，波以与Φ相关的传输概率分别被分发至端口A和端口B。该概率由公式8给出。

图3说明了工作装置的原理。图中示出了两个相同的黑体辐射器A(31)和B(32)通过传输结构与图2所述的非对称半透射镜HTM(33)连接。被半透射镜33反射的量子波，或穿过它的量子波，由两个标准镜34和35引导到如图1所示的位于一维传输通道中的原子M上。原子以远优于辐射波长的精度被放置在位置R上，该位置R例如位于装置的左/右对称面。位置R被确定为使得从HTM(33)到位置R的两条光束路径的长度相等(或相差n×λ，n＝1，2，...；λ为波长)，直至其精度远小于辐射的波长λ，例如，1/10λ或更小，1/20λ或更小，1/50λ或更小。这将确保在HTM(33)处发出并被镜子34反射的第一波和在HTM(33)处发出并被镜子35反射的第二波以最佳方式在位置R处干涉。

现在在[0041]-[0043]段中描述装置功能。随后的段落[0044]-[0057]对装置运行进行了直接的概述。

A)装置运行的概述

由黑体辐射器A(31)的热辐射所发射的第一个量子波通过半透射镜HTM(33)，并如图2A所解释的那样，以相位差Φ＝0汇聚到原子M(R)(36)上。部分波被M(R)吸收。在这个过程中，原子M(R)通过受激和自发发射的方式发射第二量子波(光子、声子等)。通过M(R)(36)不受干扰的波包、受激发射产生的波包以及部分自发发射的波包具有Φ＝0的相位差，这些波通过半透射镜HTM(33)后将到达黑体A。然而，由M(R)(36)自发发射产生的一些第二波包对(second wave packet pairs)具有Φ≠0的相位差。因此，这些波的一部分到达端口B(32)。M(R)(36)对波包的吸收和再发射表现了一个量子力学坍缩过程，这些波包通过半透射镜的叠加是量子力学态叠加的行为。

由黑体散热器B(31)的热辐射所发射的量子波通过镜子，如图2A所解释的那样，以相位差Φ＝π汇聚到原子36上。由于这个相位差Φ＝π，量子波在原子的位置上发生相消干涉。因此，该波不能与原子相互作用并不加改变地通过它们。由于它们的相位差仍为Φ＝π，它们全部被半透射镜33引导到黑体B，在那里被吸收。

将A和B，即端口31和32所发射的波相加，显然，A(31)所发射的部分波被引导到B(32)。然而，B(32)发射的所有波都被反射回B(32)。没有自B发射的量子波到达A。由于A和B发射的量子波数量相等，因此该装置提供了一个从A到B的量子波净传输，从而，量子波在两个端口31和32之间的运动是非互易性的。由于进入31和32的量子波的通量不同，它们接收到的能量、动量以及非中心撞击下的角动量不同。由于这些变化，这些黑体的进一步特性，如它们的温度、压力、电子特性、光学特性或磁特性都可能发生变化。

B)装置运行的描述

黑体A和B(31和32)发出的频率为ω_k的第一1-光子量子波态被非对称分光镜HTM(33)转化为1-光子态，这样，在R处它们由下式给出：

由于量子波的偏振对装置运行没有作用，所以偏振指数被抑制。

分光镜HTM(33)的作用由2×2的酉元矩阵(unitary 2×2-matrix)描述：

用(|B₀＞，|A₀＞)^T表示分光器来自储存器(reservoir)A、B(31、32)的输入模式。通过干涉，HTM将它们映射到输出模式(|1_k，0>，|0，1_-k>)^T，如M_HTM[参考文献8，第212页]所描述的那样。

量子波模与二能级系统M(R)相互作用的哈密顿量阅读[参考文献8，第168页]，

这里，表示包括原子j＝1...M的二能级体系36的激发(破坏)算子(excitation(destruction)operator)，表示模式k的湮灭(产生)算子(annihilation(creation)operator)，原子的激发(基)态为|e＞(|g＞)，|e＞与(|g＞)之间的能量差等于hω₀，光模式的频率为ω_k。捷径h.c.设计了厄米共轭(hermitianconjugate)。

如果M的原子j被分别来自A，B的波照射，则吸收的概率由矩阵元素来提供

因此，和对应于受激发射，在初始状态等于|A_R；e_j＞或|B_R；e_j＞的情况下，得到类似的结果。量子波的吸收呈现坍缩过程。

来自A的辐射(第一波)与原子M(R)相互作用，而来自B的光则无干扰地通过M(R)(36)。状态|B_R＞再次到达分光镜，并在那里转化为状态(具有反向动量)，因为

这一见解揭示了所有由B发射的辐射最终又回到B中，不受M(R)(36)存在的影响。相反，如果ω_k＝ω₀，则来自A的辐射与M(R)相互作用。

状态|0，0；e_j>通过自发发射衰减成频率为ω₀的1-光子状态，即成为形成第二波的状态

其中0≤α≤1，0≤Φ＜2π。

这个过程的概率正比于

这些考量揭示了没有发射进入模式|B_R>(Φ＝π)。对应于这种独特叠加的细致平衡条件，这种表现与M(R)也没有吸收这种量子波的事实一致。

相应地，可以发现

然而，虽然对于每个相干叠加，分别满足了细致平衡，但分光镜33以如下方式在A和B之间分配状态|α，Φ>：

因此，M(R)自发发射的量子波的19/30到达黑体A，11/30到达黑体B。

这些考量揭示了能量通过A激发的二能级系统M(R)优先从A转移到B。

系统的相应速率方程为：

使用了爱因斯坦系数A₁₂、B₁₂和B₂₁。M_e表示M(R)(36)的激发原子数，c为光速。两个黑体31和32都耦合到波导上，每单位时间发射一部分频率为ω₀的γn_A，B量子波。

人们很容易理解，这些方程的唯一稳态解是n_A(t)＝M_e(t)＝0，这意味着在最终状态下，储存器A(31)是完全空的，M(R)中的所有原子都占据它们的基态，而全部的辐射能和激发能已经流向储存器B(32)。相应地，A和M(R)(36)的温度为零，而储存器B的温度大于零。

由于所提出的装置的基本原理依赖于量子波的干涉、坍缩和集体吸收，因此可以实现利用物质波而非电磁波的装置。关于图4，我们现在以一种示例性的方式来展示电子装置的一种可能的实施方式，其运行方式类似于图3的装置。在参考文献1和参考文献3中已经介绍了用于物质波的非互易性装置。在图3中作为电子源的31、32，其均由电阻和电容器串联组成。电阻根据约翰逊-奈奎斯特公式(参考文献14，参考文献15)产生电压噪声和电流噪声。为了促进与图3所示的装置的光子数守恒的类似，电容器确保电路中的电子数是恒定的，这个要求在某些情况下甚至可能并不严格。

非对称分光镜HTM(33)的功能是通过如图4A所示的非对称隧道结(tunneljunction)实现的。隧道势垒(tunnel barrier)被选择为使得电子在两个方向上的传输等于50％。图4A作为例子显示了电子波41.1从左边到达势垒(barrier)，被分成两个分波。分波41.2穿过势垒42，分波41.3被势垒反射。由两种不同的材料42.1和42.2(在本例中)形成的隧道势垒42具有对物质波的非互易性传输特性，以及由此产生的界面43的特性确保了射出的电子波41.2和41.3之间的相移Φ取决于量子波41.1是从左边(如图)还是从右边撞击势垒，这与HTM(33)的情况很相似。

原子M(R)的功能由如图4B所示的三端结45产生。量子波44.1和44.2在结点45的干涉是它们的相位差Φ的函数。对于Φ＝π的情况，44.1和44.2在45处发生相消干涉，使它们不间断地继续流动。对于Φ≠nπ，n＝......-1，1，3，......，部分波到达电阻R，在那里坍缩。坍缩事件的数量随着干涉的相长特性(constructive character of theinterference)的增加而增加。在热噪声的控制下，电子也被R射出到达结点45，结点45将它们各自分成两个分波，占据导体45.1给出的连续状态。根据费米黄金法则，这两个分波的相位差为Φ的概率为1+cosΦ。因此，图4C所示的装置是一个电子装置的示例，其工作原理与图3所示的光子装置类似。

由图5A-D示出了对标准参数(t＝0时A和B中的光子数：5×10⁵；M(R)中的原子数：100；t＝0时M(R)中的激发原子数：1；γ＝10^-4；A₂₁＝B₁₂＝B₂₁＝10^-3)进行数值计算的速率方程(式9-11)的解。

图5A示出了黑体A和B中光子的数量n_A和n_B与时间的函数。如图所示，对应于A和B中量子波数量相等的标准热平衡的初始状态并没有被系统维持。确切地说，A的所有光子都移动到B中。

图5B显示了M(R)中激发原子的数量n_M与时间的函数。如图所示，这个数量从1上升到饱和值50。在这段时间内，M(R)优选地将光子从A移动到B，随着A耗尽光子，M(R)中激发原子的数量减少到零。

图5C显示了黑体A和B中光子分布的温度T_A和T_B与时间的函数。如图所示，对应于A和B温度相等的标准热平衡的初始状态没有被系统维持。而是，A冷却到0K，B相应地升温。

如上所述，A降温而B升温，从而在A和B之间产生温差，该温差可被利用于例如产生电能。例如，这可以通过使用热电偶装置来实现，特别是通过使用包括两个不同的、在不同温度下形成电学结(electrical junction)的电导体的电气装置来实现。从而这样的热电偶装置可以因为热电效应产生的随温度变化的电压。

最后，图5D示出了完整系统的熵。该系统与它的环境热隔离，起始条件是整个系统温度均匀。尽管如此，熵还是随着时间的变化而减小，明显违反了热力学第二定律。

此时应该提到的是，根据本发明的要点，量子装置可以具有图3所示结构以外的许多其他结构。半透射镜、黑体或原子可以以其它方式实现。例如，黑体可以由其他热激发量子波的储存器提供，例如提供热激发声子的物体。半透射镜可以由其他装置代替，例如，利用传输路径中的结点分割量子波并使其重新组合的装置，或者由作用于例如声子的超材料代替。原子M也可以由例如其他系统提供，该系统提供了量子波的坍缩和再发射，例如，将粒子发射到具有相邻的叉型结或分叉(split)的导体中的噪声储存器(noisy reservoir)。在例如分子或结晶固体或具有复杂结构的固体中实施完整的装置似乎也是现实可行的。

还应该提到的是，图3中所示的传输路径的几何形状也仅呈现了一个简单的实施例。路径可以更复杂，且包括例如多个环路，也可以使用空间的第三维度。此外，还可以包括其他组件，例如额外的散射体、非互易性滤波器或更多的黑体。

根据本发明的第二方面，用于操作根据第一方面的量子装置的方法包括向量子装置供应第一波，其中该第一波包括量子，该量子具有从热源获得的能量或具有kT级的能量E(energies E of order kT)，使得0<E<100kT，其中T是环境的温度。

根据第一方面的量子装置的操作方法可以可选地或另外地被定义为包括第一波源，其中至少一个第一波源与环境保持热接触。该环境可以是自然环境，如处于室温的房间，或任何自然界中的地方。它也可以是人工环境，例如包含装置的空腔，或者例如由水浴或热炉提供的热环境。

根据第一方面的量子装置的操作方法可以可选地或另外地被定义为包括提供第一波源，其中第一波源不被主动激发，特别是不被非热能主动激发，因此，该源将可以被主动加热或冷却。

需要指出的是，按照热力学的第零定律、第二定律和第三定律现今的普遍理解方式和在教科书(例如参考文献11)中的呈现方式，本发明中装置的行为并不符合这些定律。因为其中通过装置带入热接触的两个黑体31和32并没有建立一个相等的温度，而是形成了一个温度差，这违反了第零定律，。均匀的温度分布，即最大熵的状态是不稳定的，使得系统就进入了一个较低能量的状态，这与第二定律相冲突。该装置还与第三定律相冲突，因为黑体31可以达到0K的温度，由于第三定律人们已经认为对于黑体这是不可能达到的。注意该装置并不与第三定律的陈述(即一个不退化的系统的熵在0K时等于零)相冲突。一些专家例如著名的物理学家恩里克·费米预见了与第二定律的分歧，参见例如参考文献16。在参考文献10中，讨论了一个假设的系统，它被认为显示了量子物理学和热力学第二定律之间的一些分歧。然而，正如这些作者所指出的那样，这种不一致仅限于只存在于非常低的温度下量子力学纠缠态，因为这些状态会被退相干过程所破坏。此外，纠缠必须是多粒子类型的。这些要求使得所提出的系统在实际实施中是不现实的。相反，本发明不依赖纠缠，而是依赖于单粒子相干、坍缩过程和干涉。

事实上，几十年来，人们一直在想象着一个当时还是假设的装置，其能够违反热力学第二定律，然后会带来哪些优势，参考文献6。

尽管如此，正如专家和普通人所知道的，例如参见参考文献5、参考文献13、参考文献6或参考文献11，一种打破热力学第二定律的实用装置，通常称为第二种永动机，仅仅是被推测了出来。如参考文献12所总结的，目前的讨论主要集中在利用在接近绝对零度的温度下发生的量子效应(特别是量子纠缠)的装置。由于缺乏关于实用装置如何工作的想法，这些研究从未从推测过渡到可运行的设备。事实上，科学界的大多数成员都确信，从原理上讲，这样的装置可能永远不会被制造出来。

还应该进一步提到的是，上述量子装置及其应用可能需要与热环境(hot bath)进行一些耦合。在一个简单的情况下，热环境可以由黑体31和32提供。这种热环境的介质可以是固体、液体或气体。该装置可以从一个或多个热环境中提取能量，并将热能转移到例如一个或多个其它热环境中。

同样明显的是，上述装置可以以任何有用的方式连接在一起。它们或许可以被实现为并联运行以增强其输出。同样地，装置也可以串联运行。例如，对于被第一装置冷却的第一装置的黑体B1，可以热连接第二装置，使得第二装置的黑体B2被加热到比黑体B1更高的温度。

本发明的另一个有价值的方面是，易于对由量子坍缩驱动的过程建立控制。例如，可以通过阻断一部分传输路径或通过移动或转动一个或多个光学元件来控制这些过程。因此，系统可以配备一个或多个用于过程控制的输入端。

本公开还涉及以下进一步的方面。这些方面指的是的在其中可以实现根据第一方面的量子装置的装置，以使得各装置实现将在下文中概述的特定功能。

本发明还涉及利用相干发射和波函数的至少部分坍缩来实现违反热力学第零定律、第二定律或第三定律中的一个或多个的装置。

本发明还涉及利用量子力学的态叠加和波函数的至少部分坍缩来实现违反热力学第零定律、第二定律或第三定律中的一个或多个的装置。

根据上述任何一个方面的装置可以在0K-5000K的温度范围内运行。

根据上述任何一个方面的装置在量子体系中可以与热环境耦合或纠缠，也可以不与热环境耦合或纠缠。

本发明还涉及利用相干发射和波函数的至少部分坍缩或量子力学的态叠加和波函数的至少部分坍缩来产生或增强系统中波或粒子的能量分布密度的不均匀性的装置。该能量分布可以是至少部分由热能产生的能量分布。

本发明还涉及利用相干发射和波函数的至少部分量子-物理学坍缩或量子力学态叠加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。

本发明还涉及利用相干发射和波函数的至少部分量子-物理学坍缩或量子力学态叠加和波函数的至少部分坍缩在一个物体内或多个物体之间产生温差的装置。

在根据上述任一方面的装置中，相移可以由该装置的至少一个非互易性组件引起。

在根据上述任一方面的装置中，波函数的至少部分量子物理学坍缩可以是通过使用宏观体来实现的，例如可以是固体、液体、气体或等离子体。

在根据上述任一方面的装置中，在波函数在物体处的至少部分量子物理学坍缩和至少部分吸收之后的是所述物体对波的统计再发射(statistical reemission)。

在根据上述任一方面的装置中，至少部分量子物理学坍缩的波被具有随机相位的另一个波统计替换(statistically replaced)，或者波的相位被改变为随机值。

在根据上述任一方面的装置中，该装置通过将产生的辐射密度不均匀性或产生的温差转化为电、辐射、光能或其它形式的能量，或通过使用以其它方式实现的有序(order)，来产生有用功。

在根据上述任一方面的装置中，该装置在一个物体内或在几个物体之间传送质量、粒子、能量、热、动量、角动量、电荷或磁矩。

在根据上述任一方面的装置中，该装置对能量、波或物质的存储系统充电，存储系统例如电容器或电池。

在根据上述任一方面的装置中，其中装置加热或冷却物体。

在根据上述任一方面的装置中，其中装置的一个或多个物体在另外的基础温度而非室温下运行，例如通过使用额外提供的加热或冷却功能。

在根据上述任一方面的装置中，其中使用一个或多个在内部或外部产生的信号控制过程。

导致明显违反第二定律的关键要素是分裂成多个波包的粒子态的产生、多个波包状态中至少一些的量子力学坍缩、以及通过干涉对单个和多个波包状态进行排序(sorting)，其中后一步将波包的相干性能转移到有用的输出信号中。这些鲁棒性的单粒子过程是可扩展的，它们在包括高温在内的宽广的温度范围内运行，与标准的房间类环境兼容，并可在作用于多种类型的量子波(包括电磁波、粒子波和准粒子波)的各种设备中实现。

需要注意的是，在对光子装置的文献描述中，可以发现与本发明的装置具有迷惑性的、表面上的相似之处。这些装置都没有使用本发明所描述的原理机制，因此也不能实现违反第二定律。作为说明性示例，我们提及Soellner等人在其出版物(I.Soellner等人：“手性光子电路中的确定性光发射器耦合(Deterministic photo-emitter coupling inchiral photonic circuits)”，《自然技术(NATURE TECHNOLOGY)》，卷10，no.9，2015年9月1日，775-778页)的图3中提出的装置，在那里，示出了在其装置中起着积极的作用的量子点，如同原子M(36)在本发明的装置中起着积极的作用。然而，这些作用是根本不同的，相应地，装置的功能也大不相同。Soellner等人的量子点只是引入了方向相关的相移，而没有一个统计过程(statistical process)，没有坍缩、吸收或发射。量子点的状态并不随时间的变化而改变，因此整个装置是以确定性的方式运行的，该出版物的标题已经揭示了这一点。该四端装置是由酉散射矩阵(unitary scattering matrix)描述的，例如Ballestro等人提出的装置也是如此，然而，本发明的装置仅能在两个端口上作用，非互易性是通过统计坍缩过程(statistical collapse processes)来打破酉性(unitarity)而实现的。

虽然已经就一个或多个实施例对本发明进行了说明和描述，但在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以对所说明的例子进行变更和/或修改。特别是对于由上述组件或结构(组件、装置、电路、系统等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述此类组件的术语(包括对“方法”的引用)旨在对应于执行所描述组件的指定功能的任何组件或结构(例如，功能上等效)，即使在结构上不等同于在本发明中示出的示例性实施方式中执行该功能的结构。