Двигатели внутреннего сгорания работают благодаря известному второму закону термодинамики. Этот закон справедлив и для сверхмалых двигателей в квантовой сфере, но с небольшими отклонениями. Исследованиями установлено, что квантовая запутанность может помочь отдельным атомам управлять тепловыми машинами.

 

Информация, безусловно, важна для понимания термодинамики, а также совершенно необходима для понимания странных частей квантовой механики. Крошечные кусочки материи могут существовать в двух местах одновременно, это явление называется суперпозицией. Две или более частиц могут быть разбиты в так называемое запутанное состояние, запутанно связывая свойства частиц независимо от расстояния между ними.

квантовые двигатели, квантовый двигатель, второй закон термодинамики, термодинамика, энергия, физика, преобразование тепла в работу, тепло, работа
Некоторые исследователи следят за индустрией компьютерных чипов стоимостью в несколько миллиардов долларов. В стремлении создавать все более быстрые компьютеры инженеры продолжают уменьшать транзисторы, чтобы все больше их количество упаковывать в микросхемы. Транзисторы шириной в несколько десятков нанометров имеют тенденцию к утечке электронов и нагреванию. Это тепло разрушает энергоэффективность компьютера и повреждает компоненты. 
 

Хотя второй закон остается в силе, способность использовать информацию из квантовых эффектов помогает делать то, что невозможно было делать классически.

 

Незыблемый второй закон термодинамики и его «изгиб»

 

Когда французский инженер Сади Карно рассчитал максимальную эффективность теплового двигателя в 1824 году, он понятия не имел, что такое тепло. В те дни физики считали, что тепло - это жидкость, называемая калорией. Но для Карно, которого позже рассматривали как пионера в установлении второго закона термодинамики, и не нужно было знать эти детали, потому что термодинамика нечувствительна к микроскопическим деталям. Тепло всегда распространяется от горячего к холодному независимо от того, состоит ли оно из жидкости или металла. Термодинамика, законы и уравнения, управляющие энергией и ее полезностью для работы, касается только общей картины.

 

Это успешный классический подход. Как того требует термодинамика, энергия всегда сохраняется (первый закон), и когда она распространяется от горячего к холодному, она может выполнять работу, ограниченную генерацией беспорядка или энтропии (второй закон). Эти законы определяют все, начиная от расстояния перемещения на литре топлива, которое двигатель автомобиля может реализовать до батареи аккумулятора смартфона. Они помогают физикам лучше понять черные дыры и понять, почему время движется вперед, а не назад.

 

Тем не менее, общий подход, учитывающий поле, а не колоски, заставил физиков задуматься, действует ли термодинамика на всех уровнях. Будет ли это работать, если двигатель состоит из трех молекул, а не из типичного триллиона триллионов? Возможно, термодинамический код не так уж жесток в области очень малых размеров, управляемых причудливыми правилами квантовой механики.

квантовые двигатели, квантовый двигатель, второй закон термодинамики, термодинамика, энергия, физика, преобразование тепла в работу, тепло, работа
Ученые Университета Ватерлоо в Канаде разработали первый в мире квантово-тепловой двигатель. Для создания устройства исследователи использовали систему со спином 1/2 на основе молекулы хлороформа и применили методы ядерного магнитного резонанса. С помощью радиочастотного поля они изменили магнитный момент ядерного ядра изотопа углерод-13, чтобы получить цикл Отто - термодинамический цикл, который используется в двигателях внутреннего сгорания.

За последние несколько десятилетий физики постепенно исследовали поток тепла на квантовом уровне, и были заинтригованы обнаруженными нарушениями второго закона термодинамики. Пока что второй закон остается в силе, но новые точные экспериментальные методы позволяют физикам более полно исследовать квантовые основы термодинамики и получить интересные результаты. Проверяя пределы, установленные теоретиками, исследователи строят крошечные двигатели, некоторые из которых приводятся в действие одним атомом, и измеряют слабую мощность устройств. Эксперименты, проведенные на протяжении многих лет, показали, что если второй закон термодинамики действительно нарушается в небольших масштабах, то это нарушение не очень велико.

 

Даже если физики не могут нарушить термодинамические правила, последние данные предлагают способы «согнуть» их - особенно путем использования способа, которым квантовая запутанность сплетает вместе «судьбы» нескольких частиц. Например, методы, используемые при обработке квантовой информации, могут оказаться полезными для выжимания дополнительной энергии из миниатюрных двигателей. Эти достижения, например, могут помочь ученым создать наномашины, которые собирают тепло и используют его для доставки лекарств в организм, или помогают уменьшить потери энергии в крошечных компонентах традиционных компьютеров.

 

 

 

Квантовые двигатели

 

Будущее практического применения этой работы будет зависеть от понимания того, как основные термодинамические принципы действуют в сверхмалых масштабах.

 

В проведенных исследованиях квантовый двигатель превзошел свой традиционный эквивалент, без каких-либо особых настроек в его среде. Устройство использует странную физику очень маленьких объектов для производства большей мощности, чем стандартный или классический двигатель в тех же условиях.

«Ученые очень убедительно показали, что квантовая машина работает лучше, чем классическая», - говорит физик Марк Митчисон из Тринити-колледжа в Дублине. «Это очень важный шаг вперед».

квантовые двигатели, квантовый двигатель, второй закон термодинамики, термодинамика, энергия, физика, преобразование тепла в работу, тепло, работа
Классическая схема работы теплового двигателя.
 

Устройство представляет собой тип теплового двигателя. Традиционные тепловые двигатели превращают тепло в движение. Например, двигатель внутреннего сгорания автомобиля сжигает топливо для перемещения поршней по цилиндру, в результате чего автомобиль движется вперед. Другие тепловые двигатели имеют увеличенные мощности. Но прирост мощности этих машин полагается на изменения в окружающей среде вне основной машины - например, источник тепла машины, возможно, был наделен дополнительными полезными свойствами - поэтому большая мощность не была полностью характерной особенностью самой машины.

 

В новом исследовании квантовый двигатель работает не путем зажигания бензина, а с помощью лазера, чтобы заставить электрон внутри крошечного дефекта кристалла алмаза перепрыгнуть между уровнями энергии. И вместо того, чтобы двигать поршни, квантовая машина выводит свою мощность в электромагнитных волнах.

Вот где появляется квантовая часть: объекты, которые ведут себя в соответствии с квантовой механикой, иногда находятся в подвешенном состоянии, известном как суперпозиция, то есть они пойманы в двух местах одновременно или в двух разных конфигурациях. Электрон в квантовом двигателе может находиться в суперпозиции двух энергетических уровней. Как будто поршень двигателя автомобиля одновременно находился в верхнем и нижнем положениях.

 

При определенных условиях это свойство приводит к увеличению выходной мощности по сравнению с максимальной мощностью, возможной для традиционного теплового двигателя. «Это первый эксперимент, когда такой режим был достигнут», - говорит физик Роберто Серра из Федерального университета ABC в Санто-Андре, Бразилия.

 

 

Квантовое увеличение мощности проявляется только в том случае, если двигатель работает чрезвычайно осторожно, как автомобильный двигатель, в котором поршни двигаются незначительно во время каждого цикла. Это означает, что квантовая машина не заменяет всех возможных конкурентов, а только тех, которые также работают в этом спокойном состоянии, а пока большинство из них работают на других режимах.

Так что не ожидайте, что эти квантовые двигатели будут питать транспортные средства или устройства в ближайшее время. «Если вы пытаетесь построить автомобиль или реактивный двигатель ... это абсолютно бесполезно», - говорит физик Ян Уолмсли из лондонского Имперского колледжа, соавтор исследования.

Вместо этого, исследования ученых раскрывают новые детали того, как квантовая механика взаимодействует с термодинамикой, теорией, которая управляет теплом, температурой и энергией. В этом случае новый двигатель открывает лазейку для нормальных ограничений по выработке электроэнергии. «Мы не изменили структуру термодинамики, но мы открыли новую ее часть», - говорит Уолмсли.

 

Вместо того, чтобы анализировать энтропию напрямую, команда Оппенгейма изучила, сколько энергии у системы есть для выполнения работы - количество, называемое свободной энергией. В нашем макроскопическом мире количество свободной энергии зависит только от температуры и энтропии системы. Но, приближаясь к меньшим и меньшим коллекциям частиц, исследователи обнаружили, что им нужно было учесть еще несколько разновидностей свободной энергии. Каждый из них уменьшается со временем. Другими словами, второй закон требует соблюдения еще большего количества правил на квантовом уровне.

 

Информационное преимущество преобразования тепла в работу

 

Многие физики пытаются использовать суперпозицию, квантовую запутанность и другие квантовые хитрости для выполнения информационных задач, которые невозможны по правилам классической физики. Исследователи предполагают сверхзащищенные сети связи и квантовые компьютеры, которые используют запутанные фотоны или ионы для легкого решения сложных проблем.

квантовые двигатели, квантовый двигатель, второй закон термодинамики, термодинамика, энергия, физика, преобразование тепла в работу, тепло, работа
Цикл Отто на квантовой двухуровневой системе.
 

Но информация означает гораздо больше, чем просто обмен и обработка единиц и нулей. В результате физики, размышляющие над квантовыми вычислениями и коммуникацией, обратили свое внимание на термодинамику. Они начали решать вопрос, могут ли такие свойства, как запутанность, также дать преимущество в преобразовании тепла в работу.

 

Получение информации со скидкой может развить технологию, которая превосходит второй закон и превосходит лучшие двигатели в натуральную величину. «На что мы можем надеяться, так это на машины, которые работают быстрее, на холодильники, которые эффективнее охлаждаются, или на батареи, которые накапливают больше энергии или заряжаются быстрее», - говорит Хубер, теоретик квантовой информации в Женевском университете.

 

 

Двигатель размером с атом

 

В ближайшее время ученые смогут в лабораториях экспериментировать с двигателями, использующими квантовые эффекты. Немецкие исследователи уже сделали шаг к этой цели, построив тепловой двигатель, состоящий из одного атома. Йоханнес Роснагель, квантовый физик из Университета Майнца, и его коллеги построили конусообразную оболочку вокруг иона кальция. После использования лазера и электрического поля для нагрева иона примерно на один градус выше абсолютного нуля, исследователи измерили работу, выполняемую ионом, когда он оказывал небольшое усилие к вершине конуса.

Типичный двигатель (слева) использует тепловую энергию для привода турбины или выполнения какой-либо другой задачи. Уменьшите размер двигателя до минимального, и он может заставить один атом (справа, зеленая точка) вибрировать и выполнять небольшую работу.

квантовые двигатели, квантовый двигатель, второй закон термодинамики, термодинамика, энергия, физика, преобразование тепла в работу, тепло, работа

Исследователи сообщили в статье, опубликованной на сайте arXiv.org, наноскопический двигатель работал в соответствии с законами термодинамики. Роснагель говорит, что с учетом крошечного веса иона мощность была сопоставима с мощностью автомобильного двигателя. «Довольно интересно видеть, что вы можете управлять тепловыми машинами с одним атомом», - говорит он.

 

Несмотря на измеримую выходную мощность одноионного двигателя, Роснагель предупреждает, что наноразмерные двигатели для практического использования находятся в лучшем случае на расстоянии десятилетий. Вместо этого полезность квантовой термодинамики, вероятно, будет происходить при развитии других технологий.

 

 

 

Квантовая термодинамика и управление теплом

 

Некоторые исследователи следят за индустрией компьютерных чипов стоимостью в несколько миллиардов долларов. В стремлении создавать все более быстрые компьютеры инженеры продолжают уменьшать транзисторы, чтобы все больше их количество упаковывать в микросхемы. Транзисторы шириной в несколько десятков нанометров имеют тенденцию к утечке электронов и нагреванию. Это тепло разрушает энергоэффективность компьютера и повреждает компоненты. Квантовая термодинамика может помочь физикам научиться трюкам, чтобы уменьшить количество потерянного тепла или, возможно, даже собрать его с помощью небольших устройств внутри компьютера.

 

Управление теплом еще более важно для физиков, стремящихся создать практические квантовые компьютеры. Такое устройство должно работать при экстремально низких температурах, чтобы использовать квантовые эффекты и потенциально превосходить традиционные компьютеры.

 

Некоторые представители физики утверждают, что подобные эксперименты могут в конечном итоге нарушить основополагающий второй закон термодинамики.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!