Квантовый двигатель. Виды и устройство. Работа и применение

Квантовый двигатель — это устройство, которое может выполнять работу абсолютно без потерь энергии, избегая при этом сил трения и теплообмена с окружающей средой. Иными словами, такой движок обладает максимальной эффективностью. Современные двигатели не обладают такими свойствами, ведь существующие законы физики ограничивают их применение. Часть энергии в обязательном порядке теряется.

Поэтому ученые уже десятки лет бьются над созданием «вечных» двигателей, которые бы могли позволить отправить космические корабли на другие планеты, разогнав их до рекордных скоростей. На данный момент уже создаются прототипы таких двигателей и проводятся их испытания. Эти агрегаты работают на совершенно новых принципах, что в будущем может привести к созданию сверхскоростных комических кораблей, летающих машин и многих других изобретений.

Сегодня квантовый двигатель

 пытаются создать многие страны. Создаются патенты, проводятся испытания, но реальных результатов на данный момент практически нет. Лишь некоторые страны уже добились определенных успехов.

Это в первую очередь Россия, США, Китай и Германия.

• В Германии немецкие ученые из Аугсбурга создали модель двигателя, работающую по квантовому принципу. Работа такого устройства базируется на том, что два атома, расположенные в газообразной оптической решетке при довольно низких отрицательных температурах подвергаются воздействию внешнего переменного магнитного поля.

В результате один из атомов начинает двигаться по оптической решетке. Через некоторое время он выходит на постоянную скорость. В свою очередь второй атом играет роль стартера. Именно благодаря нему первый атом получает ускорение. Такую конструкцию стали называть квантовым атомным двигателем. Однако такому двигателю до испытаний и реального применения еще далеко.

• Китай и США также работают над созданием собственного квантового устройства. Они совместно разрабатывают и испытывают двигатель EmDrive. Китай вкладывает очень много денег в космос. Первоначально EmDrive был изобретён в Великобритании, затем созданием подобных двигателей заинтересовались США и Китай. NASA на данный момент практически полностью засекретило испытания своего двигателя EmDrive. Китайская академия наук в свою очередь достаточно часто сообщает о своих успехах. На данный момент Китай испытывает этот движок.

Изобретение EmDrive проверяется в различных условиях, включая вакуум. Устройство, как заверяют изобретатели, действительно работает. Оно может работать бесконечно долго и не требует запаса топлива. При этом для работы такого двигателя в космосе вполне будет достаточно солнечных батарей. Однако на данный момент такой движок выделяется небольшой полезной нагрузкой. В перспективе же EmDrive сможет разгонять ракеты и космические корабли до невероятных скоростей, которые будут приближаться к сотым и десятым долей скоростей света.

• В России квантовый двигатель разрабатывается разными коллективами учеными. Так в МФТИ разрабатывается «вечный движок» второй степени. Ученые создают машину, в которой КПД будет составлять 100%. Для этого они используют кубиты, то есть элементарные вычислительные модули, а также ячейки памяти квантовых компьютеров. Они соединяются между собой на квантовом уровне. Кубиты способны поглощать тепловую энергию, после чего перемещают излишнюю энтропию в окружающую среду. В результате двигатель находится в состоянии, в котором он может работать бесконечно.
• Созданием другого вида двигателя занимается Владимир Леонов. Российский ученый для своего двигателя решил использовать реактор холодного ядерного синтеза, который работает на никеле. Благодаря такому решению энергоэффективность подобного двигателя будет невероятно высокой. Так она будет примерно в 1000000 раз превосходить наилучшие известные на данный момент химические топливные элементы.

Согласно расчетам изобретателя космический корабль с подобным двигателем сможет разгоняться до тысячи километров в секунду. Получается, что полет до Марса составит всего 41 час. Владимир Леонов в своем движке использовал теорию суперобъединения, созданную им же. Эта теория базируется на факте существования кванта пространства времени, то есть квантона. Изобретатель считает, что квантон является недостающим элементом таблицы Менделеева. Именно благодаря квантону формируются все остальные элементы.

Устройство

Квантовый двигатель

 имеет устройство в зависимости от его вида:

• Если говорить о конструкции EmDrive, то она напоминает ведро из металла, которое запаяно с обеих сторон. Внутри у него находится магнетрон, который излучает электромагнитные волны. Такого устройства вполне хватает для создания небольшой тяги.
• Владимир Леонов уже создал несколько видов двигателей, они могут применяться в разных целях. Для движения с небольшими скоростями используется одно устройство, а для космических путешествий с невероятными скоростями совершенно иное. В последнем он намеревается использоваться реактор холодного синтеза, что позволит достигать скоростей в тысячу км в секунду.

В движках Владимира Леонова для горизонтального перемещения применяются неоднородные магнитные и электрические поля.

Конструкция включает следующие элементы:

• Корпус.
• Электрогенератор.
• Диск, который крепится на валу.
• Активаторы, которые монтируются на шарнирах.
• Систему поворота.
• Аккумуляторную батарею.
• Подшипники.
• Преобразователь напряжения.
• Схема управления.

Рабочее тело изготовлено из ферромагнитного диэлектрика. В качестве электрического двигателя используется гиромотор с обмоткой и ротором.

Принцип действия

Квантовый двигатель имеет следующий принцип действия. Аккумулятор питает электрический генератор и преобразователь напряжения.

В результате создаются три вида напряжения для:

1. Магнитной составляющей.
2. Обеспечения питанием электродвигателя.
3. Катушек магнитной составляющей.

В результате системы магнитов и электродов создают магнитные и электрические поля. Эти поля выделяются ортогональным расположением, что позволяет получить вектора напряженности необходимого направления. Эти неоднородные поля действуют на рабочее тело, образуя поляризацию. Само же рабочее тело вращается вокруг оси. В итоге в рабочем теле наблюдается распределение квантов. Образуется сила тяги, которая передается активатором. Сами активаторы находятся под углом к оси плоскости дисков

Так как ось активатора определяет направление силы тяги, то наблюдается разделение сил на нормальные и тангенциальные. Система взаимодействует с вакуумным полем, что приводит к созданию энергии из поля вакуума. Полученная энергия тратится на вращение электрического генератора, который создает тягу, а также обеспечивает питание гидросистемы двигателя.

Двигатель EmDrive, над которым трудятся США и Китай, работает по совершенно иному принципу. Его работа базируется на разности давления электромагнитного излучения, которые находятся на концах двигателя. В узком месте давление немного меньше, чем в широком. В результате образуется тяга, которая направлена к узкому концу. Скептики неоднократно утверждали, что это невозможно. Однако наличие тяги подтверждалось в проводимых экспериментах.

Применение

Квантовый двигатель может применяться в самых разных областях. Однако, в первую очередь, эти устройства необходимы для космоса. Кроме космических кораблей этот двигатель может быть использован для автомобилей, летающих машин, подводных лодок, кораблей, железнодорожного транспорта и самолетов. При этом автомобилям и самолетам нужно будет минимум топлива. Достаточно будет один раз заправить машину, чтобы годами ездить на ней, не зная проблем. К тому же такие машины практически не будут ломаться.

Подводные аппараты при достаточной мощности двигателей смогут подниматься над водой и даже улетать в космос. В реальности они будут схожи с современными неопознанными летающими объектами, о которых так часто говорят в уфологии. Начнется полноценное освоение солнечной системы и ближайших планет нашей вселенной.

Также двигатель отлично может быть использован для выработки электричества, автономного электрического снабжения квартир и домов. Извлечение энергии из двигателя на квантовом принципе позволит отказаться от традиционного химического топлива, нефти и газа, ведь энергия станет практически бесплатной.

В будущем квантовый двигатель сможет найти и другие применения. Совершенствование технологий приведет к появлению новых двигателей. Это будут миниатюрные устройства, которые смогут преобразовывать магнитную или электрическую энергию в механическую. В результате могут появиться нанороботы, которые смогут лечить людей. К примеру, такие миниатюрные роботы смогут бороться с раком, безопасно удаляя пораженные ткани, уничтожать вирусы и микробы.

В России на данный момент прорабатывается большое число прорывных проектов, связанных с квантовым движком. Им интересуются российские космические концерны. Силовая установка, работающая на квантовом принципе, может стать основой для создания российского космоплана. Возможно, квантовый двигатель будет использоваться для создания сверхтяжелой космической ракеты, которая должна появиться в России до 2030 года.

Похожие темы:

• Гравитационный двигатель. Виды и устройство. Работа и применение
• Магнитные двигатели. Разновидности и особенности
• Магнитная левитация. Виды и работа. Применение и особенности
• Мендосинский мотор. Виды и устройство. Работа и применение

Двигатель квантового сгорания

Люди научились строить очень мощные двигатели внутреннего сгорания, но не научились главному — существенному повышению их КПД. 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. Подробнее о том, что такое квантовые двигатели, как они устроены и на что способны, читайте в нашем материале.

За 300 лет развития технологии расчета, проектирования и конструирования двигателей проблема создания машины с большим коэффициентом полезного действия (КПД) так и не была решена, хоть и является критичной для многих областей науки и техники.

Квантовая физика, открытая в начале XX века, преподнесла нам уже немало сюрпризов в мире технологий: атомная теория, полупроводники, лазеры и, наконец, квантовые компьютеры. Эти открытия основываются на необычных свойствах субатомных частиц, а именно, на квантовых корреляциях между ними — сугубо квантовом способе обмена информацией.

И кажется, квантовая физика готова удивить нас еще раз: годы развития квантовой термодинамики позволили физикам показать, что квантовые тепловые двигатели могут иметь высокую эффективность на малых масштабах, недоступную для классических машин.

Давайте разберемся, что такое квантовая термодинамика, как работают тепловые машины, какие улучшения дает квантовая физика и что необходимо сделать для создания эффективного двигателя будущего.

Классические тепловые двигатели

В своей книге 1824 года «Размышления о движущей силе огня» 28-летний французский инженер Сади Карно придумал, как паровые двигатели могут эффективно преобразовывать тепло в работу, заставляющую двигаться поршень или крутиться колесо.

К удивлению Карно, эффективность идеального двигателя зависела только от разницы температур между источником тепла двигателя (нагревателем, как правило — огнем) и теплоотводом (холодильником, как правило — окружающим воздухом).

Карно понял, что работа — это побочный продукт естественного перехода тепла от горячего тела к холодному.

В тепловых двигателях используется следующий цикл. Тепло Q₁ подводится из нагревателя с температурой t₁ к рабочему телу, часть тепла Q₂ отводится к холодильнику с температурой t₂, t₁ > t₂.

Работа, произведенная тепловым двигателем, равна разности между подведенным и отведенным теплом: A = Q₁ − Q₂, а КПД η будет равен η = A/Q₁.

Карно показал, что КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по его циклу с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника η_Carnot = (t₁ − t₂)/t₁. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПД η к идеальному η_Carnot.

Сади Карно умер от холеры восемь лет спустя — прежде, чем смог увидеть, как уже в XIX веке его формула эффективности превратилась в теорию классической термодинамики — набор универсальных законов, связывающих температуру, тепло, работу, энергию и энтропию.

Классическая термодинамика описывает статистические свойства систем, сводя микропараметры, такие как положения и скорости частиц, к макропараметрам: температуре, давлению и объему. Законы термодинамики оказались применимы не только к паровым машинам, но и к Солнцу, черным дырам, живым существам и всей Вселенной.

Это теория настолько простая и общая, что Альберт Эйнштейн считал, что она «никогда не будет свергнута». Однако с самого начала термодинамика занимала исключительно странное положение среди других теорий мироздания.

«Если бы физические теории были людьми, термодинамика была бы деревенской ведьмой, — писала несколько лет назад физик Лидия дель Рио. — Другие теории находят ее странной, отличной от остальных, но все приходят к ней за советом и никто не осмеливается ей противоречить».

Термодинамика никогда не претендовала на то, чтобы быть универсальным методом анализа окружающего мира, скорее, она путь к эффективному использованию этого мира.

Термодинамика рассказывает нам, как максимально использовать ресурсы, такие как горячий газ или намагниченный металл, для достижения конкретных целей, будь то движение поезда или форматирование жесткого диска.

Ее универсальность происходит от того, что она не пытается понять микроскопические детали отдельных систем, а только заботится о том, чтобы определить, какие операции легко реализовать в этих системах, а какие трудно.

Такой подход может показаться странным для ученых, но им активно пользуются в физике, информатике, экономике, математике и много где еще.

Одна из самых странных особенностей теории — это субъективность ее правил. К примеру, газ, состоящий из частиц, в среднем имеющих одинаковую температуру, при ближайшем рассмотрении имеет микроскопические температурные различия.

В последние годы появилось революционное понимание термодинамики, объясняющее эту субъективность с помощью квантовой теории информации, которая описывает распространение информации через квантовые системы.

Точно так же, как термодинамика первоначально выросла из попыток улучшить паровые двигатели, современная термодинамика описывает работу уже квантовых машин — управляемых наночастиц.

Для корректного описания мы вынуждены распространить термодинамику на квантовую область, где такие понятия, как температура и работа, теряют свое обычное значение, а классические законы механики перестают работать.

Квантовая термодинамика

Зарождение квантовой термодинамики

В письме от 1867 года своему коллеге, шотландцу Питеру Тейту, знаменитый физик Джеймс Кларк Максвелл сформулировал знаменитый парадокс, намекающий на связь между термодинамикой и информацией.

Парадокс касался второго закона термодинамики — правила, согласно которому энтропия всегда возрастает. Как позже заметил сэр Артур Эддингтон, это правило «занимает главенствующее положение среди законов природы».

Согласно второму закону, энергия становится все более неупорядоченной и менее полезной, поскольку она распространяется от горячих тел к холодным и различия в температуре уменьшаются.

А как мы помним из открытия Карно, для совершения полезной работы требуются горячее и холодное тело. Огонь гаснет, чашки с утренним кофе остывают, а Вселенная устремляется к состоянию равномерной температуры, известной как тепловая смерть Вселенной.

Великий австрийский физик Людвиг Больцман показал, что увеличение энтропии является следствием законов обычной математической статистики: существует гораздо больше способов для равномерного распределения энергии между частицами, чем для локальной ее концентрации. Когда частицы движутся, они естественным образом стремятся к состояниям с более высокой энтропией.

Но в письме Максвелла описывался мысленный эксперимент, в котором некое просветленное существо — позднее названное демоном Максвелла — использует свои знания для снижения энтропии и нарушения второго закона.

Всемогущий демон знает положение и скорость каждой молекулы в контейнере с газом. Разделяя контейнер на две половинки и открывая и закрывая маленькую дверцу между двумя камерами, демон пропускает только быстрые молекулы в одну сторону и только медленные — в другую.

Действия демона делят газ на горячий и холодный, концентрируя его энергию и снижая общую энтропию. Некогда бесполезный газ с некоторой средней температурой теперь можно пустить в ход в тепловой машине.

Долгие годы Максвелл и другие задавались вопросом, как закон природы может зависеть от знания или незнания положения и скорости молекул. Если второй закон термодинамики субъективно зависит от этой информации, то как он может быть абсолютной истиной?

Связь термодинамики с информацией

Столетие спустя американский физик Чарльз Беннетт, опираясь на работы Лео Силарда и Рольфа Ландауэра, разрешил парадокс, формально связав термодинамику с наукой об информации. Беннетт утверждал, что знания демона хранятся в его памяти, а память должна быть очищена, на что требуется работа.

В 1961 году Ландауэр подсчитал, что при комнатной температуре компьютеру требуется не менее 2,9 × 10^-21 джоулей, чтобы стереть один бит хранимой информации. Другими словами, когда демон разделяет горячие и холодные молекулы, снижая энтропию газа, его сознание потребляет энергию, и общая энтропия системы газ + демон возрастает, не нарушая второй закон термодинамики.

Результаты исследования показали, что информация является физической величиной — чем больше у вас информации, тем больше работы вы можете извлечь. Демон Максвелла создает работу из газа с одной температурой, потому что у него гораздо больше информации, чем у обычного наблюдателя.

Потребовались еще полвека и расцвет квантовой теории информации — области, зародившейся в погоне за квантовым компьютером, чтобы физики подробно изучили поразительные следствия идеи Беннетта.

В течение последнего десятилетия физики предположили, что энергия распространяется от горячих объектов к холодным из-за определенного способа распространения информации между частицами.

Согласно квантовой теории, физические свойства частиц вероятностны и частицы могут находиться в суперпозиции состояний. Когда они взаимодействуют, то запутываются, комбинируя вместе распределения вероятностей, описывающих их состояния.

Центральным положением квантовой теории является утверждение, что информация никогда не теряется, то есть настоящее состояние Вселенной сохраняет всю информацию о прошлом. Однако со временем, когда частицы взаимодействуют и все больше запутываются, информация об их индивидуальных состояниях перемешивается и распределяется между все большим количеством частиц.

Чашка кофе охлаждается до комнатной температуры, потому что при столкновении молекул кофе с молекулами воздуха информация, кодирующая кофейную энергию, просачивается наружу, передается окружающему воздуху и теряется в нем.

Однако понимание энтропии как субъективной меры позволяет Вселенной в целом развиваться без потери информации. Даже когда энтропия частей Вселенной, например частиц газа, кофе, читателей N + 1, растет по мере того, как их квантовая информация теряется во Вселенной, глобальная энтропия Вселенной всегда остается нулевой.

15 лет назад люди думали об энтропии как о свойстве термодинамической системы. Сейчас же мы считаем, что энтропия — это не свойство системы, а свойство наблюдателя, описывающего систему.

Идея о том, что энергия имеет две формы: бесполезное тепло (о котором мы не знаем ничего) и полезную работу (о которой мы знаем почти все), имела смысл для паровых двигателей.

На самом деле между ними существует целый спектр форм — энергия, о которой у нас есть лишь частичная информация. При таком подходе энтропия и термодинамика становятся гораздо менее загадочными.

Ренато Реннер,
профессор университета ETH, Цюрих

Квантовая тепловые двигатели

Как же теперь, используя более глубокое понимание квантовой термодинамики, построить тепловую машину?

В 2012 году был учрежден технологический Европейский исследовательский центр, посвященный квантовой термодинамике, где в настоящее время работают более 300 ученых и инженеров.

Команда центра надеется исследовать законы, управляющие квантовыми переходами в квантовых двигателях и холодильниках, которые когда-нибудь смогут охлаждать компьютеры или использоваться в солнечных панелях, биоинженерии и других приложениях.

Уже сейчас исследователи намного лучше, чем раньше, понимают, на что способны квантовые двигатели.

Тепловой двигатель — это устройство, использующее квантовое рабочее тело и два резервуара при разных температурах (нагреватель и холодильник) для извлечения работы. Работа — это передача энергии от двигателя к какому-то внешнему механизму без изменения энтропии механизма.

С другой стороны, тепло — это обмен энергией между рабочем телом и резервуаром, изменяющий энтропию резервуара. При слабой связи между резервуаром и рабочим телом тепло связано с температурой и может быть выражено как dQ = TdS, где dS — это изменение энтропии резервуaра.

В элементарном квантовом тепловом двигателе рабочее тело состоит из одной частицы. Такой двигатель удовлетворяют второму закону и поэтому также ограничен пределом эффективности Карно.

Когда рабочее тело приводится в контакт с резервуаром, то в рабочем теле изменяется заселенность энергетических уровней. Определяющим свойством резервуара является его способность довести рабочее тело до заданной температуры независимо от начального состояния тела.

В данном случае температура является параметром квантового состояния системы, а не макропараметром, как в классической термодинамике: мы можем говорить о температуре как о заселенности энергетических уровней.

В процессе обмена энергией с резервуаром тело обменивается еще и энтропией, поэтому энергетический обмен на этой стадии рассматривается как передача тепла.

Для примера рассмотрим квантовый цикл Отто, в котором рабочим телом будет выступать двухуровневая система. В такой системе имеются два энергетических уровня, каждый из которых может быть заселен; пусть энергия основного уровня E₁, а возбужденного E₂. Цикл Отто состоит из 4 стадий:

          I. Расстояние между уровнями E₁ и E₂ увеличивается и становится Δ₁ = E₁ − E₂.

          II. Происходит контакт с нагревателем, система нагревается, то есть верхний энергетический уровень заселяется и изменяется энтропия рабочего тела. Это взаимодействия продолжается время τ₁.

          III. Происходит сжатие между уровнями E₁ и E₂, то есть происходит работа над системой, теперь расстояния между уровнями Δ₂ = E₁ − E₂.

          IV. Тело приводится в контакт с холодильником на время τ₂, что дает ему возможность срелаксировать, опустошить верхний уровень. Теперь нижний уровень оказывается полностью заселен.

Здесь мы можем ничего не говорить о температуре рабочего тела, имеют значения лишь температуры нагревателя и холодильника. Совершенную работу можно записать как:

dW = (p₀(τ₁) − p₁(τ₂))(Δ₁ − Δ₂),                       (1)

где p₀₍₁₎ — вероятность, что рабочее тело находилось в основном (возбужденном) состоянии. КПД данного квантового четырехтактного двигателя η = 1 − Δ₁/Δ₂.

Например, возможно построить квантовый двигатель, в котором роль рабочего тела играет сверхпроводящий кубит, а в качестве нагревателя и холодильника используются два нормальных резистора с разным сопротивлением.

Эти резисторы генерируют шум, обладающий характерной температурой: большой шум — нагреватель, маленький — холодильник.

Корректная работа такого двигателя была показана в работе ученых из университета Аалто в Финляндии.

В реализации цикла Отто разность между уровнями энергии можно модулировать постоянным магнитным потоком, то есть «сжимать» или «расширять» уровни, а включать взаимодействие с резервуарами отлично получалось короткими микроволновыми сигналами.

В 2015 году ученые из Еврейского университета Иерусалима подсчитали, что такие квантовые двигатели могут превзойти классические аналоги.

Эти вероятностные двигатели все еще следуют формуле эффективности Карно в терминах того, сколько работы они могут извлечь из энергии, проходящей между горячими и холодными телами. Но они способны извлекать работу гораздо быстрее.

Двигатель, сделанный из одного иона, был экспериментально продемонстрирован и представлен в 2016 году, хотя он не использовал квантовые эффекты для усиления мощности.

Недавно мы писали о том, что был построен квантовый тепловой двигатель на основе ядерного магнитного резонанса, чей КПД был очень близок к идеальному η_Carnot.

Квантовые тепловые машины можно использовать также для того, чтоб охлаждать как большие, так и микроскопически системы, такие как кубиты в квантовом компьютере.

Охладить микросистему значит уменьшить заселенности на возбужденных уровнях, уменьшить энтропию. Это можно сделать через те же термодинамические циклы, включающие в себя нагреватель и холодильник, но запущенные в обратном направлении.

В марте 2017 года была опубликована статья, в которой с помощью квантовой теории информации выводился третий закон термодинамики — утверждение о невозможности достижения абсолютной нулевой температуры.

Авторы статьи показали, что ограничение скорости охлаждения, препятствующее достижению абсолютного нуля, возникает из ограничения на то, как быстро информация может быть выкачана из частиц в объекте конечного размера.

Ограничение на скорость имеет прямое отношение к охлаждающим способностям квантовых холодильников.

Будущее квантовых двигателей

Скоро нас ждет расцвет квантовых технологий, и тогда квантовые тепловые машины могут сильно помочь.

Использовать кухонный холодильник для охлаждения микросистем не получится из-за его беспорядочной работы — в среднем температура в нем низкая, но локально она может достигать недопустимых значений.

Из-за тесной связи квантовой термодинамики с информацией мы в силах использовать наши знания (информацию) для совершения локальной работы — например, реализовать квантового демона Максвелла, используя многоуровневые системы, для охлаждения (очищения состояния) кубитов в квантовом компьютере.

Что касается квантовых двигателей большего масштаба, то утверждать, что такой двигатель придет на смену двигателю внутреннего сгорания, еще рано. Пока двигатели, состоящие из одного атома, имеют слишком низкую эффективность.

Однако интуитивно понятно, что при использовании макроскопической системы с множеством степеней свободы, мы сумеем извлечь лишь малую часть полезной работы, ведь такой системой можно управлять только в среднем. В концепции квантовых двигателей появляется возможность управлять системами более эффективно.

На данный момент в науке о наноразмерных тепловых машинах есть множество как теоретических, так и инженерных вопросов. Например, большой проблемой являются квантовые флуктуации, способные создавать «квантовое трение», привнося лишнюю энтропию и уменьшая эффективность двигателя.

Сейчас физики и инженеры активно работают над оптимальным контролем квантового рабочего тела и созданием нанонагревателя и нанохолодильника. Рано или поздно квантовая физика поможет нам создать новый класс полезных устройств.

Михаил Перельштейн

Новый квантовый двигатель обладает большей мощностью, чем его стандартные аналоги.

Впервые квантовый двигатель превзошел по производительности свой традиционный аналог без каких-либо особых настроек среды.

Устройство использует странную физику очень маленьких объектов для производства большей мощности, чем стандартный или классический двигатель при тех же условиях, сообщают ученые в Physical Review Letters 22 марта .

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

Устройство представляет собой двигатель, называемый тепловым двигателем. Традиционные тепловые двигатели превращают тепло в движение. Например, двигатель внутреннего сгорания автомобиля сжигает топливо для перемещения поршней вверх и вниз, в результате чего автомобиль движется вперед. Другие тепловые двигатели могут похвастаться увеличением мощности. Но эти машины зависели от настроек окружающей среды за пределами основной машины — например, источник тепла машины мог быть наделен полезными свойствами — поэтому дополнительная мощность не была полностью особенностью самой машины.

В новом исследовании квантовый двигатель работает не за счет воспламенения бензина, а за счет использования лазера, заставляющего электрон внутри крошечного дефекта кристалла алмаза прыгать между энергетическими уровнями. И вместо движущихся поршней квантовая машина выдает свою мощность в виде электромагнитных волн.

Вот здесь и появляется квантовая часть: объекты, которые ведут себя в соответствии с квантовой механикой, иногда находятся в подвешенном состоянии, известном как суперпозиция, что означает, что они захвачены в двух местах одновременно или в двух разных конфигурациях. Электрон в квантовом двигателе может находиться в суперпозиции двух энергетических уровней. Это как если бы поршень автомобильного двигателя находился одновременно в верхнем и нижнем положениях.

При определенных условиях это свойство, как сообщают ученые, приводит к увеличению выходной мощности по сравнению с максимально возможной мощностью традиционной тепловой машины. «Это первый эксперимент, в котором был достигнут такой режим», — говорит физик Роберто Серра из Федерального университета ABC в Санто-Андре, Бразилия.

Но у исследователей «нет полной характеристики квантового двигателя», — говорит Серра. Команда оценивала выходную мощность двигателя, но не другие его качества, например эффективность. По его словам, будущие эксперименты должны дополнительно изучить этот тип машин.

Квантовый прирост мощности проявляется только тогда, когда двигатель работает очень плавно, как в автомобильном двигателе, в котором поршни двигаются лишь слегка во время каждого цикла. Это означает, что квантовая машина не уничтожает всех возможных конкурентов, а только тех, которые также работают в этом щадящем режиме, а большинство из них таковыми не являются.

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

Вместо этого исследование раскрывает новые детали того, как квантовая механика соединяется с термодинамикой, теорией, которая управляет теплом, температурой и энергией ( СН: 19. 03.16, стр. 18 ). В этом случае новый двигатель обнаруживает лазейку в нормальных пределах выработки электроэнергии. «Мы не изменили структуру термодинамики, но открыли новую ее часть», — говорит Уолмсли.

Квантовые двигатели с запутанностью в качестве топлива? — ScienceDaily

Чтобы заставить автомобиль двигаться, его двигатель сжигает бензин и преобразует энергию тепла горящего бензина в механическую работу. Однако при этом энергия тратится впустую; типичный автомобиль преобразует только около 25 процентов энергии бензина в полезную энергию, чтобы заставить его работать.

Двигатели, работающие со 100-процентным КПД, по-прежнему являются скорее научной фантастикой, чем научным фактом, но новое исследование Университета Рочестера может приблизить ученых на один шаг к демонстрации идеальной передачи энергии внутри системы.

Эндрю Джордан, профессор физики из Рочестера, недавно получил трехлетний грант в размере 1 миллиона долларов от Фонда Темплтона на исследование механизмов квантовых измерений — двигателей, которые используют принципы квантовой механики для работы со 100-процентной эффективностью. Исследование, которое будет проводиться совместно с ведущими исследователями во Франции и Вашингтонском университете в Сент-Луисе, может ответить на важные вопросы о законах термодинамики в квантовых системах и внести свой вклад в такие технологии, как более эффективные двигатели и квантовые компьютеры.

«Грант касается нескольких Больших Вопросов о мире природы, — говорит Джордан.

ФИЗИКА НА МАЛОМ УРОВНЕ

Ранее исследователи описывали концепцию квантовых измерительных машин, но эта теория так и не была продемонстрирована экспериментально.

реклама

В микроскопическом квантовом мире частицы обладают уникальными свойствами, которые не согласуются с известными нам классическими законами физики. Джордан и его коллеги будут использовать сверхпроводящие схемы для разработки экспериментов, которые можно будет проводить в реалистичной квантовой системе. С помощью этих экспериментов исследователи изучат, как законы энергии, работы, мощности, эффективности, тепла и энтропии действуют на квантовом уровне. Эти концепции в настоящее время плохо изучены в квантовой механике.

ЗАДАЧИ ДЛЯ МИКРОСКОПИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Квантовые измерительные машины могут работать в микроскопической среде для задач очень малой мощности, таких как перемещение вокруг атома или зарядка миниатюрной схемы. В этих возможностях они могут быть важными компонентами квантовых компьютеров.

Однако в настоящее время этот тип двигателя нельзя использовать для приведения в движение автомобиля; мощность в механизме квантовых измерений измеряется в единицах пиковатта, где один пиковатт равен одной миллионной миллионной доле ватта. Для сравнения, мощность одной лампочки составляет около 60 Вт.

«Упомянутые масштабы мощности — такие числа, как пиковатт — указывают на большой разрыв между нашими человеческими интересами и этими крошечными двигателями», — говорит Джордан.

По словам Джордана, одним из способов создания механизмов квантовых измерений для деятельности человека может быть «массовое распараллеливание». «Каждое устройство вырабатывает лишь незначительное количество энергии, но, заставив миллиарды из них работать вместе, вы могли бы создать макроскопический двигатель с нуля».

НОВЫЙ ВИД ТОПЛИВА

Джордан и его команда также займутся другой важной областью исследований: как можно извлечь работу из системы, используя запутанность в качестве топлива. В запутанности — одном из основных понятий квантовой физики — свойства одной частицы взаимосвязаны со свойствами другой, даже когда частицы разделены большим расстоянием. Использование запутанности в качестве топлива имеет, возможно, революционную особенность создания нелокального двигателя; половина двигателя может быть в Нью-Йорке, а другая половина — в Калифорнии. Энергия не удерживалась бы ни одной из половин системы, но две части все же могли бы делиться энергией, чтобы умело питать обе половины.

«Мы покажем, что двигатель в принципе может быть абсолютно эффективным», — говорит Джордан. «То есть была бы идеальная передача энергии от измерительного прибора к квантовой системе».