Фізики вивчають дивні властивості квантових частинок, сподіваючись, що вони приведуть до створення потужніших і ефективніших двигунів, ніж їхні класичні аналоги. Досі вчені ще багато чого не розуміють у тому, як різні аспекти квантової фізики можуть допомогти або завадити в роботі двигунів. Автори дослідження, опублікованого в журналі Physical Review Letters, створили експериментальний квантовий двигун, в основі якого лежить квантова заплутаність. Дослідження показало, що вона може допомогти збільшити корисну енергію, яку виробляє двигун, але не підвищує ефективність перетворення енергії, пише IFLScience.
Квантова заплутаність — що це?
Квантова заплутаність — це явище у квантовій фізиці, коли квантові стани кількох частинок мають взаємну залежність. Вона зберігається навіть тоді, коли частинки перебувають далеко одна від одної і не можуть мати відомі взаємодії. Альберт Ейнштейн висміював це явище і називав його “моторошною дією на відстані”. Але за останні кілька років фізики досягли великого успіху в заплутуванні дедалі більшої кількості субатомних частинок на дедалі більших відстанях.
Вважається, що практично застосувати квантову заплутаність краще для опрацювання та передавання інформації, але водночас деякі вчені вважають, що її можна використовувати для створення квантових двигунів.
Квантовий двигун із ферміонами та бозонами
Минулого року групою фізиків було створено такий двигун, і він використовує перетворення ферміонного газу в бозонний конденсат і назад замість використання різниці в теплі, як у звичайних двигунах. Ферміонами та бозонами є частинки, які мають різний спін (власний момент імпульсу).
Бозони можуть групуватися разом набагато частіше, ніж ферміони, оскільки до них не застосовний принцип виключення Паулі, який не дає змоги двом ферміонам одночасно займати один і той самий квантовий стан.
Для приведення в рух крихітних поршнів квантового двигуна використовували взаємодію між феріонним газом, що розширюється, і бозонами в стані конденсату Бозе-Ейнштейна. Цей двигун мав ККД 25%, що, з одного боку, дуже багато для такої інновації, а з іншого боку, — це набагато менше, ніж у інших двигунів.
Новий квантовий двигун із квантовою заплутаністю
Автори нового дослідження використовували квантову заплутаність, за якої квантовий стан кожної частинки нерозривно пов’язаний зі станом інших. Цей квантовий двигун був створений на основі двох іонів кальцію в пастці, де ступінь квантової заплутаності можна було змінювати для вимірювання її ефектів. Двигун працює за чотиритактним циклом, починаючи з поглинання фотонів лазера, далі йде фаза розширення, фаза переходу для з’єднання системи з квантовим навантаженням і, нарешті, відбувається стиснення.
За словами вчених, вони вперше створили квантовий двигун із заплутаними характеристиками. Таким чином вони підтвердили, що квантова заплутаність може слугувати свого роду “паливом”. Як “паливо” фізики вибрали заплутані стани двох іонів, що обертаються, а як навантаження виступали їхні коливальні режими. Завдяки точному налаштуванню частоти, амплітуди і тривалості існування лазера іони були переведені з вихідного чистого стану в сильно заплутаний стан.
Ефективність перетворення енергії не покращилася при заплутуванні. Але механічна ефективність була вищою при заплутуванні, тобто вироблялося більше корисної енергії. Навіть при збільшенні енергії квантові двигуни, як і раніше, матимуть дуже обмежену сферу застосування. Поки що такі двигуни можуть працювати тільки за температури, близької до абсолютного нуля.