Лента TH Новости Глобальные вызовы


Физики исследовали фундаментальные пределы квантовых двигателей

∴ 200

Квантовые двигатели работают иначе, чем их классические аналоги. Однако предыдущие исследования по эффективности квантовых двигателей могут переоценивать их преимущества.

621

В новом исследовании физики разработали улучшенный метод вычисления эффективности квантовых двигателей. Они показывают, что предельная эффективность квантовых систем подвержена более жестким фундаментальным ограничениям, чем те, которые налагаются вторым законом термодинамики, который регулирует эффективность классических систем.

Физики Обинна Аба и Эрик Лутц из Университета имени Фридриха-Александра Эрланген-Нюрнберг в Германии опубликовали статью об энергосберегающих квантовых машинах в недавнем выпуске EPL.

Производительность любого вида двигателя (квантового или классического) во многом определяется его энергоэффективностью (отношением выхода энергии к потреблению энергии) и ее мощностью (скоростью выхода энергии в заданное время). Обычная термодинамика накладывает компромисс между эффективностью двигателя и его силовым значением. Однако для квантовых двигателей можно одновременно увеличить как эффективность, так и мощность. Это означает, что с помощью надлежащих методов квантовые двигатели могут потенциально производить больше энергии, чем классические двигатели.

Некоторые из методов, которые обеспечивают одновременное повышение эффективности и мощности, называются методами «быстрого доступа к адиабатичности». Адиабатические преобразования очень желательны, поскольку они рассеивают небольшую энергию, что повышает эффективность системы и ускоряет ее динамику, что увеличивает выходную мощность. Как следует из их названия, адиабатичность позволяет квантовым машинам имитировать работу в гораздо более короткое время, чем это возможно, используя истинные преобразования, которые бесконечно медленны.

Хотя предыдущие исследования продемонстрировали преимущества подобной системы, эти методы обычно не учитывают стоимость энергии быстрого доступа при расчете конечной эффективности системы.

В новом исследовании Аба и Лутц разработали метод оценки эффективности системы, которая учитывает стоимость доступной энергии. Их результаты показывают, что доступ к адиабатичности повышает производительность системы только в том случае, если он достаточно быстрый, поскольку более быстрые сокращения имеют более низкие затраты энергии. С другой стороны, очень медленные протоколы быстрого доступа имеют более высокие энергетические затраты, которые могут превышать любые потенциальные выгоды от энергии.

При таком раскладе, возникает ряд иных ограничений для квантовых двигателей. Ученые говорят, что в квантовых двигателях очень строго задан потолок скорости процесса. Понимание квантовых скоростных ограничений и их фундаментальных ограничений на квантовые системы необходимо для разработки будущих квантовых двигателей.

Филипп Дончев