Новый квантовый двигатель обладает большей мощностью, чем его традиционные аналоги

Новый квантовый двигатель обладает большей мощностью, чем его традиционные аналоги

Технологии

03.04.2019

Впервые квантовый двигатель превзошел своих классических конкурентов без каких-либо экспериментальных трюков. Но, скажем сразу, речь идёт о микроскопических устройствах, поэтому квантовую Tesla ждать нам пока что не приходится.

Используя законы квантовой механики, новый двигатель смог показать большую мощность, чем стандартные — классические двигатели в тех же условиях (и в том же масштабе), сообщают в исследовательской работе от 22 марта, выполненной коллективом учёных из Американского Физического Общества (англ. The American Physical Society).

В своём исследовании учёные смогли экспериментально убедиться, что одним из основных свойств квантового теплового двигателя является способность рабочего тела (электрона) находиться в когерентной (взаимосвязанной) суперпозиции (одновременно в двух или более состояниях). И, как и ожидалось, в масштабах микроскопического устройства это позволяет производить больше мощности, чем у любого эквивалентного классического теплового двигателя в тех же условиях. Также было подтверждено, что в рамках одного режима работы наличие такой внутренней когерентности приводит к тому, что различные типы квантовых тепловых двигателей становятся термодинамически эквивалентными, то есть «во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится пропорциональное полученной работе количество теплоты, и наоборот, при затрате той или иной работы получается то же количество тепла», — как сказал бы великий ученый Рудольф Клазиус.

Если говорить проще, то традиционные тепловые двигатели превращают тепло в движение. Например, в автомобилях двигатель внутреннего сгорания использует энергию от воспламенения топлива для того, чтобы приводить в движение поршни, которые в свою очередь через привод передают энергию на колёса и вращают их, благодаря чему автомобиль движется. Существуют разные вариации тепловых двигателей, но, как правило, большая мощность в них преимущественно достигается за счет работы в иной среде, ином приложении силы, а также модификациях используемого топлива.

В новом исследовании квантовый двигатель использует совершенно иной принцип работы: при помощи лазера, направленного на специально подготовленные алмазные кристаллы с небольшим дефектом (азотной вакансией). Лазер переводит электрон, располагающийся в кристалле (в этой самой вакансии), с одного энергетического уровня на другой, а вместо поршней квантовый двигатель производит мощность в виде электромагнитного поля.

Так как рабочим телом в данной конструкции является электрон, то в дело вступают законы квантовой механики. Сверхмалые объекты, такие как электроны, имеют свойство находиться сразу в нескольких состояниях одновременно, что называется суперпозицией, то есть если возвращаться к примеру с классическим двигателем, то в квантовом двигателе наш «поршень» одновременно и в верхнем, и в нижнем положении. В нашем случае с квантовым двигателем электрон находится одновременно на нескольких энергетических уровнях в один момент времени. Всё это также связано с корпускулярно-волновым дуализмом, той самой волшебной теорией квантовой физики, которая утверждает, что любая микрочастица — это ещё и волна.

При определённых условиях это свойство, как сообщают ученые, приводит к увеличению выходной мощности, так как теоретически все элементы и процессы внутри квантового двигателя многократно дублируются. «Это первый эксперимент, когда мы смогли достичь такого режима работы», — говорит физик Роберто Серра из Федерального университета ABC в Санто-Андре, Бразилия.

Но, как и в ситуации с квантовыми компьютерами, всё не так просто: экспериментальный микродвигатель ещё сложно назвать полноценной реализацией. На данный момент команда учёных оценила его выходную мощность, но ещё не проанализировала такое ключевое качество, как эффективность. Поэтому в будущем эксперименты будут продолжаться.

Особенностью этого типа двигателей также является и равномерность работы, то есть для него невозможны режимы с увеличением или падением мощности: она остаётся постоянной, что накладывает на данные и без того специфичные устройства дополнительные ограничения. «Если вы попробуете построить автомобиль или реактивный двигатель … Это совершенно бесполезно», — говорит физик Ян Уолмсли из Имперского колледжа Лондона, соавтор исследования, комментируя возможность практического применения квантового двигателя в текущих реалиях.

Тем не менее, исследование приоткрывает нам новые грани того, как квантовая механика взаимодействует с термодинамикой — разделом физики, исследующем способы передачи и превращения энергии. Именно в этой области новый двигатель открывает лазейку для преодоления ограничений, наложенных классической физикой на генерацию мощности. «Мы не изменили законы термодинамики, но открыли новую её часть», — говорит Уолмсли.

Сергей Тверье

Основные виды деятельности: Работа на финансовых рынках Консультирование и сопровождение в работе на финансовых рынках Юридические услуги, связанные с регистрацией, перерегистрацией, ликвидацией российских юридических лиц Консультирование в сфере кредитования и защиты прав заёмщика Информационные услуги связанные с ведением бизнеса