最近，受到量子信息發展的帶動以及實驗技術進步的影響，量子力學和統計物理學的一些基本問題重新受到物理學家的關注。量子熱機（Quantum Heat Engine）給人們研究這些問題提供了一個很好的平臺。顧名思義，量子熱機是以“量子物質”為工作物質對並外做功的熱機（見圖1）。
(詳細介紹見量子研究網站：http://quantum-study.com/article/859/20.html)
圖 1: 一個量子熱機的示意圖圖。從t = 0時刻到t=τ1 時刻，工作物質（量子力學系統）從高溫熱庫吸熱。從t = τ1 時刻到t=τ2 時刻，工作物質向外膨脹，推動活塞對外做功。第三步(從t = τ2 時刻到t=τ3 時刻)是工作物質向低溫熱庫釋放多餘的熱量的過程（冷凝過程）。第四步(從t = τ3 時刻到t=τ4 時刻)是外界對工作物質做功，以使它回到第一步開始時的初態。在這裡第三步和第四步幾乎是第一部和第二步的逆過程，只是熱庫的溫度不同。
由於工作物質的量子屬性，量子熱機有很多不一般的性質。量子熱機的工作物質的量子性成為一個備受關注的新的研究熱點。人們試圖從實驗上去驗證一些有別於傳統熱力學理論的新現象，新結論。在理論研究上上，一些超越人們傳統觀念的新奇的結論陸續被發現。比如，在一定條件下，量子熱機在每個循環過程中的對外做功量可以超過與它相應的經典熱機，而且量子熱機的效率也可以超越經典熱機的效率上限-經典卡諾熱極的效率。量子熱機不僅是研究量子力學和熱力學的關係的很好模型，而且是研究量子退相干問題的很好模型，它還能很好的體現量子和經典熱力學系統的差異，幫助我們理解熱力學過程中的量子-經典過渡的問題。下面以量子卡諾熱機為例做介紹。
經典卡諾熱機是一種一種非常典型的熱機。它的每個循環的四個衝程的熱力學性質都非常清楚，而且它代表了一類普適的可逆熱機的物理機制。現在人們關於量子熱機的研究大多集中在對經典卡諾熱機的量子力學推廣方面，也就是對量子卡諾熱機有關方面的研究。
圖 2: (A)：一個基於二能級量子系統的量子卡諾熱機循環的示意圖。 Δ是二能級系統的能級差， Pe是系統在激發態上的布居數。 A → B (C → D)是等溫膨脹（壓縮）的過程。在此過程中工作物質和高（低）溫熱源保持接觸。 B→C和D → A是兩個量子絕熱過程。 (B)：以理想氣體作為工作物質的一個經典卡諾熱機循環的溫度-體積(PV )圖。 1 → 2 (3 →4)是對應於溫度為Th (Tl)的經典等溫膨脹（壓縮）過程。 2 → 3(4→ 1)是經典的絕熱膨脹（壓縮）過程。 V2和V3是工作物質在2和3時的體積。 (C)：基於二能級的量子卡諾熱機循環的溫度-熵 (PS)圖。 (D)：基於基於經典理想氣體的經典卡諾熱機循環的溫度-熵(PS)圖。 (C)和(D)兩個示意圖成了溝通量子和經典卡諾循環之間的橋樑。
基於量子等溫過程研究構造量子卡諾熱機循環所需的條件，和它的一些物理性質。量子卡諾熱機（一個基於二能級系統的量子卡諾熱機循環的示意圖見圖2），如同與它對應的經典卡諾熱機一樣，由兩個（量子）等溫過程 (A → B及C →D)和兩個（量子）絕熱過程(B →C及D→ A) 構成。在等溫膨脹過程A →B中，工作物質-被束縛在勢阱中的一個粒子-始終與一個溫度為Th的熱源相接觸。工作物質的能級改變的速度比系統的弛豫速度慢的多，以至於這個粒子一直與熱庫保持在熱平衡狀。在下面我們將分別考慮工作物質為二能級和多能級兩種情形。
(詳細介紹見量子研究網站：http://quantum-study.com/article/859/20.html)
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