Квантовые двигатели ― новый прорыв, «изгибающий» второй закон термодинамики
Наноустройство, использующее квантовую физику, может действовать как двигатель, который приводится в движение не тепловой энергией, а процессом измерения.
В квантовой механике акт измерения системы изменяет ее состояние. Разработан квантовый двигатель, в котором количество произведенной энергии извлекается квантовыми флуктуациями, вызванными измерениями системы. Двигатель производит фотоны, которые распространяются в цепи и могут быть использованы позже для квантовых вычислений. Чем быстрее повторяются измерения, тем эффективнее работает двигатель.
Информация, безусловно, важна для понимания термодинамики, а также совершенно необходима для понимания странных частей квантовой механики. Согласно ее законам, крошечные частицы материи могут существовать в двух местах одновременно, это явление называется суперпозицией. Две частицы или более могут быть разбиты в так называемое запутанное состояние, запутанно связывая свойства частиц независимо от расстояния между ними.
Поскольку квантовые системы могут существовать в суперпозиции состояний, неизбежно возник интерес к тому, может ли квантовая когерентность между энергетическими состояниями повысить эффективность теплового двигателя.
Революционное повышение КПД тепловых двигателей
Тепловые двигатели преобразуют тепло в другие виды энергии, но, увы, КПД их при этом достаточно низкий. Предел на этом пути ставит второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия системы неизбежно растет. Но нельзя ли преодолеть этот предел с помощью квантовой физики? Оказалось, что можно, но для этого необходимо было понять, что энтропия субъективна, а тепло и работа — далеко не единственно возможные формы энергии. Классические тепловые двигатели вырабатывают энергию, выполняя серию «ударов», которые преобразуют тепловую энергию (тепло) в механическую энергию (работа). Квантовые тепловые двигатели работают аналогичным образом. Но, в отличие от их классических аналогов, энергетические состояния так называемой рабочей жидкости квантового двигателя, которая действует как пар в паровом двигателе, могут находиться в когерентной суперпозиции. Эта возможность побудила исследователей определить, могут ли квантовые двигатели работать лучше, чем классические.
Ученые положительно отвечают на этот вопрос, предсказав увеличение мощности для квантовых двигателей, работающих в так называемом пределе малого действия. В этом пределе ходы двигателя короткие, что приводит к небольшому перегреву и рабочим обменам, и квантовая когерентность между различными энергетическими состояниями двигателя становится более заметной. Они предположили, что эта согласованность приводит к увеличению мощности для квантового двигателя по сравнению с сопоставимым классическим аналогом.
Недавние достижения в области нано- и квантовых технологий требуют разработки всеобъемлющей основы для квантовой термодинамики. В частности, крайне важно исследовать, применимы ли законы термодинамики к малым системам, динамика которых определяется флуктуациями и которые в общем случае действуют далеко от теплового равновесия. Кроме того, уже было признано, что на наноуровне многие стандартные предположения классической статистической механики и термодинамики более неоправданны и даже в равновесных квантовых подсистемах, как правило, не очень хорошо описываются распределением Максвелла — Больцмана, или, скорее, состоянием Гиббса. Таким образом, формулировка положений квантовой термодинамики должна быть тщательно переформулирована, чтобы учесть потенциальные квантовые эффекты, например, об эффективности тепловых двигателей.
Новый квантовый тепловой двигатель может генерировать больше энергии, чем классические аналоги. 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. И хотя второй закон остается в силе, способность использовать информацию из квантовых эффектов помогает реализовать то, что невозможно было выполнить классически.
Продолжение статьи читайте в апрельско-майском номере журнала "Наука и техника" за 2020 год. Доступна как печатная, так и электронная версии журнала. Оформить подписку на журнал можно здесь.
В магазине на сайте также можно купить магниты, календари, постеры с авиацией, кораблями, сухопутной техникой
