Запутанность в квантовой механике бесила и ставила в тупик физиков целое столетие, а теперь она может оказаться на пороге практического применения в (очень маленьких) энергетических устройствах.
Странные особенности квантовых субстанций изучаются в надежде, что они приведут к созданию двигателей, более мощных и эффективных, чем их классические аналоги. Мы все еще многого не понимаем о том, как различные аспекты квантовой физики могут помочь или помешать работе машин. Новое исследование одной из наиболее отличительных черт квантовой физики – запутанности – показывает, что она может повысить полезную энергию, производимую двигателем, но не эффективность преобразования энергии.
Как и многие аспекты квантовой механики, запутанность мало понятна людям, выросшим в классическом мире. Эйнштейн, как известно, высмеивал ее, называя “жутким действием на расстоянии” – но в конце концов, доказательств его существования стало слишком много, чтобы их игнорировать. В последние два десятилетия физикам все чаще удавалось запутывать все большее число субатомных частиц на все большие расстояния.
Большинство планов практического использования квантовой запутанности касались обработки и передачи информации, но квантовые двигатели и квантовые батареи тоже могут найти свое место.
В прошлом году был продемонстрирован первый квантовый двигатель, использующий превращение из фермионного газа в бозонный конденсат и обратно, вместо разницы температур, которая используется в двигателях со времен изобретения Уатта. Фермионы и бозоны – это частицы, отличающиеся своими спинами.
Что более актуально здесь, так это то, что бозоны могут группироваться гораздо чаще, чем фермионы, потому что на них не распространяется принцип исключения Паули, который не позволяет двум фермионам занимать одно и то же квантовое состояние одновременно. Обратно-поступательное движение между расширенным фермионным газом и сгущенным бозе-эйнштейновским конденсатом бозонов использовалось для приведения в движение крошечных поршней.
Этот первоначальный двигатель имел КПД 25 процентов – потрясающее достижение для первой попытки, но гораздо меньшее, чем у двигателей, которые приводят в движение наш нынешний мир. Так что гонка продолжается, чтобы создать что-то более совершенное. В нескольких работах было предложено использовать квантовую запутанность, при которой квантовое состояние каждой частицы неразрывно связано с состояниями других.
Д-р Чжоу Фей был частью команды, создавшей квантовый двигатель на основе двух ионов кальция в ловушке, где степень квантовой запутанности можно было варьировать для измерения его воздействия.
Двигатель работает по четырехтактному циклу, начиная с поглощения фотонов от красного лазера, фазы расширения, боковой переходной полосы для связи системы с квантовой нагрузкой и, наконец, сжатия.
“Изюминка нашего исследования – первая экспериментальная реализация квантового двигателя с запутанными характеристиками. Оно количественно подтвердило, что запутанность может служить своего рода “топливом”, – рассказал Фей газете “South China Morning Post“.
“Мы выбрали запутанные состояния двух вращающихся ионов в качестве рабочего тела, их колебательные моды действовали как нагрузка. Путем точной настройки частоты лазера, амплитуды и длительности ионы переходили из начальных чистых состояний в сильно запутанные состояния”, – добавил Чжоу.
Эффективность преобразования, измеряемая числом колебаний, создаваемых двигателем на каждый приложенный фотон, не улучшилась за счет запутанности. Однако механический КПД был выше при запутанности, что означает, что при тех же затратах вырабатывалось больше полезной энергии.
Даже с повышенной энергией область применения квантовых двигателей по-прежнему останется довольно ограниченной. Пока они работают только при температурах, близких к абсолютному нулю. Однако, учитывая, что квантовым компьютерам уже требуются такие температуры для работы, квантовые двигатели могут выполнять связанные с ними роли, хотя им придется значительно расширить свои возможности по сравнению с этой концептуальной разработкой.
Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Читайте также: Радикальный квантовый прорыв может заряжать батареи в мгновение ока
