Исследователи из Нормального университета Куфу, Гонконга и Палермо объявили о разработке термоквантового двигателя. Этот новый двигатель способен одновременно производить как работу, так и охлаждение. Исследование, объединяющее теоретические и экспериментальные доказательства этого явления, было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Тепловая аномалия и классический принцип
Точкой отсчета для этого открытия стало наблюдение аномального теплового эффекта: квантовая система, которая поглощает тепло от более холодных тепловых резервуаров. Такое поведение противоречит установленному классическому принципу, согласно которому тепло всегда самопроизвольно перемещается из более горячих областей в более холодные до достижения теплового равновесия — принципу, который имеет решающее значение для таких технологий, как холодильники и электростанции.
Механизм неопределенного причинного порядка
Это явление неразрывно связано с концепцией неопределенного причинного порядка (ICO). Чжан Сяо Мань, старший соавтор, объяснил Phys.org, что ICO позволяет двум событиям существовать в суперпозиции порядков. В квантовой термодинамике эти события представлены каналами термализации, которые воздействуют на систему через управляющий кубит, порождая этот неопределенный порядок.
Мань добавил, что предыдущие исследования уже демонстрировали, что даже при использовании каналов при одинаковых температурах система не нуждалась в стабилизации при этой температуре, что представляет собой значительное отклонение от традиционной термодинамики. Поэтому команда изучила, что происходит с потоком тепла, когда система и каналы имеют разные температуры. Мань заявил: «Основная идея нашей статьи заключается в том, что в квантовом мире два тепловых процесса могут происходить в суперпозиции различных порядков. Это создает необычный поток тепла, позволяя двигателю извлекать энергию из более холодной среды способом, который был бы невозможен классически».
Многофункциональный квантовый цикл Отто
Основываясь на этом аномальном тепловом потоке, ученые разработали квантовый двигатель цикла Отто — устройство, предназначенное для преобразования тепла в полезную энергию. В отличие от традиционных двигателей Отто, это устройство работает по квантовому циклу, который может одновременно генерировать полезную работу и обеспечивать охлаждение, что обычно требовало бы двух отдельных устройств. Как аномальный поток, так и двигатель были экспериментально протестированы на фотонной платформе, и результаты полностью подтвердили теоретические прогнозы команды.
Вклад и будущие применения
Гиулио Чирибелла, еще один соавтор, подчеркнул три важных достижения работы. Во-первых, была идентифицирована новая модальность аномального теплового потока, что доказывает, что квантовая когерентность может радикально изменять теплообмен между системами. Во-вторых, была проведена полная демонстрация этих нетрадиционных термодинамических эффектов, как теоретически, так и экспериментально, на фотонной платформе. Наконец, было доказано, что такие эффекты не являются эксклюзивными для неопределенного причинного порядка и могут быть воспроизведены в рамках определенной причинной структуры.
Хотя представленный двигатель пока является лишь концептуальной моделью, авторы предполагают, что конструкция и аномальный тепловой поток могут быть применены в разработке квантовых технологий. К ним относятся охлаждение квантовых процессоров, управление тепловыми режимами в квантовых датчиках, а также в устройствах для визуализации и наноразмерных устройствах. Розарио Ло Франко, старший соавтор, отметил, что будущие исследования должны быть сосредоточены на выходе за рамки идеальных термодинамических циклов, изучая более практические реализации, где все операции происходят в ограниченное время. Ло Франко заметил, что недавние исследования показывают, что измерения и управление в конечное время могут вносить критические изменения между энергетическими затратами, приростом информации и производительностью, и команда планирует понять, как эти ограничения влияют на предложенный двигатель.
