热机的产生和普及对于人类历史的进展具有无可替代的作用。卡诺热机的提出定义了经典热机下的最高效率:在两个一定温度热库之间工作的热机,以可逆热机的效率为最高,并且只与两个热库的温度相关。不断集成化和微型化的发展趋势使得机械装置的尺度逼近介观甚至于微观量子区域,这对传统机械的工作原理,尤其是基于经典热力学原理的机械动力部分提出了挑战。经典热机理论在量子区域将面对原理性的困难,这在应用层面促使量子热机的研发。由于工作质的量子特征,量子热机将会具有很多超出经典热机规则下的奇异性质。然而当下量子热机的研究大多以探索量子热力学基础理论为目的,基于原子、光子等量子特征十分显著而与经典热机结构差异较大的系统。本文以腔QED系统为平台进行量子热机理论研究。一方面腔QED系统理论可移植于腔光力学系统,并且近来的实验进展使得介观尺度的该系统就足以开展量子热力学的研究;另一方面该系统本身的机械结构特征使得以它为基础的量子热机能与现有的机械装置更好地结合。这些性质使得该系统成为一个能够兼顾理论与应用要求的量子热机的研究平台。本文主要介绍和讨论了量子热机的相关基础知识,首先应机械装置的不断集成化和微型化提出了一种最简单的基于单原子-单光子耦合的极化子热机模型,随后尝试突破经典卡诺效率的限制提出了一种跨越正绝对温度热库和负绝对温度热库的量子热机模型,最后介绍了利用极化子热机模型实现的一种声子模式的测量方案,本文主要内容如下:首先,我们简要介绍了量子热机的理论模型。从经典的热力学定律类比出量子热力学定律,以及相应的量子热力学过程,并进而对经典卡诺热机和量子卡诺热机,以及经典奥拓热机和量子奥拓热机做了一个简要对比。随后简要介绍了对量子热力学系统进行功测量的理论方法。首先有对孤立系统的两点测量方法。其后有对开放系统的应用量子轨迹的连续量子测量方法。混合量子系统经常可由极化子模型来描述。极化子作为一种准粒子模型,是由混合量子系统中不同模式间的相干叠加构成,通过改变相互作用参数可以实现极化子表现出不同模式的性质。在很多情况下,混合量子系统中的不同模式可以与不同的热库相互耦合,因而我们可以通过改变极化子耦合参数实现其在不同热库间分别与其进行相互作用,从而构建出一个完整的热力学循环。在第三章中我们将详细介绍这种基于一个二能级原子与单光子耦合实现的最简单的极化子热机模型。该热机能够从极微弱的微波热场中汲取能量以做功。我们也给出了不同量子测量方案下热机所做的功,以及测量方案对热机系统的反作用效果。热机效率的提高一直是物理学家们不断追求的目标,因此我们随后尝试研究一种可以突破经典卡诺效率限制的热机方案。本文第四章基于腔QED系统搭建了一种跨越正绝对温度热库和负绝对温度热库的量子热机。这种热机在经典卡诺效率的定义下将发生效率大于1的不可思议现象。在热力学第一定律的要求下,理想情况下这种热机可以实现从正温度热库以及负温度热库均吸收热量并完全转化为功输出,实现真正的效率为1的热机模型。在量子热机模型基础上本文提出了一种声子模式的测量方案。由于腔QED系统中的极化子模型处于裸模下的声子模式和光子模式的叠加态,在不同的参数下极化子模式可以分别近似表现为单一的声子模式态或者光子模式态,通过参数的调节可以实现极化子模式在这两种裸模间相互转换。通过一种“态转化”模型将待测声子模式信息传递至腔QED系统中的以声子模式占据主导的极化子模式中。随后将该极化子模式转变为一种可以直接测量的光子模式,从而实现了一种间接的声子模式测量方案。这种测量方案对不同的待测声子模式态都将具有一个最合适的腔QED耦合参数值,在该耦合参数下,系统的测量极限可以达至很高。本文研究的基于腔QED系统搭建的量子热机模型以及利用腔QED热机系统实现对声子模式的测量,对热机理论的研究提供了重要的理论研究意义及实验参考价值。