Эффективность любого двигателя напрямую зависит от величины энергетических потерь в процессе его непрерывной работы. Широкое распространение паровые такие двигатели не получили в силу значительных тепловых потерь, которые вместо преобразования в кинетическую энергию в виде движения рассеивались в окружающей среде. В определенной степени реализации стимпанк-мира препятствует сама природа, а именно второй закон термодинамики, постулирующий стремление любой замкнутой системы к равномерному распределению тепла. Данный закон налагает ограничения на эффективность практически всех типов двигателей. Почти непреодолимым препятствием на пути к созданию максимально эффективного (идеального) двигателя является трение, неизбежно возникающее при совершении механической работы – о воздух, о детали механизма и т.д.
В результате часть энергии, выделяемой при преобразовании топлива, теряется безвозвратно, что снижает эффективность двигателя.
Минимизировать трение и потери энергии в макроскопических системах (например, автомобильных двигателях внутреннего сгорания) достаточно сложно. Возникает закономерный вопрос: возможно ли преодолеть ограничения макромира, обратившись к микромиру?
Достаточно одного атома
Как показывает ряд исследований, посвященных созданию квантовых двигателей, можно. Дело в том, что на квантовых масштабах термодинамические процессы проходят совсем по-другому. Это даже привело ученых к необходимости создания теории, которая объединила бы квантовую механику и термодинамику.
В рамках разработки такой теории физиков привлекла проблема создания квантового двигателя, который мог бы производить работу абсолютно без потери энергии, избегая не только трения, но и теплообмена с внешней средой. Другими словами, такой двигатель достиг бы максимальной эффективности.
Последней и одной из наиболее впечатляющих на данный момент работ в этом направлении является опубликованное в журнале Scientific Reports исследование ученых из США, Великобритании и Италии, в котором теоретически обосновывается возможность функционирования подобного двигателя, обладающего адиабатическими свойствами (то есть лишенного теплообмена с внешней средой).
В частности, физикам удалось адаптировать цикл Отто – термодинамический процесс, описывающий действие идеального двигателя внутреннего сгорания – к масштабам микромира. Позволили им это сделать современные достижения теоретической физики. Например, ученые использовали экспериментально доказанную теорему флуктуаций, которая аккуратно корректирует второй закон термодинамики и допускает, что энтропия (рассеивание энергии) со временем может не только увеличиваться в некоторых системах, но и уменьшаться.
Четыре стадии цикла Отто, адаптированного к квантовым масштабам, в котором теплота (heat) входит в осциллятор, затем выходит, совершая механическую работу (work) / © A. del Campo, et al.
Используя так называемые «короткие пути для достижения адиабатичности» (shortcuts to adiabaticity), ученые показали, как мог бы работать двигатель на основе цикла Отто размером с атом. «Поршнем» в нем являлся бы квантовый гармонический осциллятор, окруженный двумя микроскопическими камерами для подвода теплоты к рабочему телу (осциллятору) и его охлаждению. Сама работа, как и в стандартном, не квантовом цикле Отто, совершалась бы при помощи сжатия и расширения рабочего тела.
Отсутствие трения обеспечивалось бы «суперадиабатичностью» – состоянием, имитирующим работу двигателя при медленных адиабатических процессах. Расчеты ученых демонстрируют, что подобный двигатель функционировал бы очень медленно, однако его цикл был бы обратимым и конечным во времени, что позволило бы ему все же совершать некоторую работу.
А что все это значит?
Теоретическое обоснование концепта рабочего «суперадиабатического» квантового двигателя является шагом вперед на пути к осуществлению давней мечты физиков – построению двигателя с максимальной эффективностью при выдаче максимальной мощности. Это, конечно, не вечный двигатель, но тоже очень впечатляющая и куда более реалистичная перспектива.
Также данная работа ученых представляется полезной в деле разработки квантовой термодинамики – теории, которая примирила бы термодинамические процессы и физику элементарных частиц.
«Термодинамика описывает процессы с участием сразу многих частиц, и ее квантовая адаптация должна так же адекватно отражать многочастичные процессы. Осуществление подобных концептов – вроде того, что мы предложили в своей работе – позволит нам значительно лучше контролировать эти процессы», – говорит Мауро Патерностро (Mauro Paternostro) из Университета Квинса (Великобритания), один из авторов исследования.
Впрочем, практическая реализация предложенной схемы квантового двигателя тоже не является чем-то фантастическим и отдаленным, считают авторы исследования. Более того – ученые намерены экспериментально воплотить придуманный ими двигатель в самое ближайшее время.
Патерностро и его коллеги уже ведут переговоры с представителями некоторых научных организаций в Европе, чтобы проверить свою теорию. В частности, они хотят получить доступ к определенному оборудованию, чтобы сначала поймать одиночный атом при помощи лазера, а затем подвергнуть его тепловым преобразованиям цикла Отто.
Если физикам удастся уже на практике доказать свою правоту, это может привести к повсеместному распространению максимально эффективных микродвигателей квантовых и нано- масштабов, спектр применения которых может оказаться весьма впечатляющим.
Двигатель квантового сгорания
Квантовая механика — одна из самых удивительных и загадочных областей физики. Она изучает поведение частиц на самых малых масштабах, где обычные законы природы теряют свою силу. Квантовая механика открывает перед нами новые возможности, связанные с созданием и использованием квантовых технологий. Одной из таких технологий является квантовый двигатель, который может работать на основе ультрахолодного облака атомов. В этой статье расскажу вам о новом эксперименте, проведенном группой ученых из Германии и Швейцарии, которые смогли создать и запустить такой двигатель.
При газе бозонов — сжатие, при газе фермионов — декомпрессия. Источник: www.newscientist.com
Квантовый двигатель, работающий на основе ультрахолодного облака атомов, может стать источником энергии для других квантовых технологий. Такой двигатель использует постоянное изменение фундаментальной квантовой природы частиц, из которых он состоит. Это отличает его от существующих устройств, которые работают на основе классических принципов.
Все известные частицы можно разделить на две категории: фермионы и бозоны. От того, к какой категории они относятся, зависит их поведение в больших группах. Фермионы — это частицы, которые не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Примерами фермионов являются электроны, протоны и нейтроны. Бозоны — это частицы, которые могут существовать в одном и том же квантовом состоянии. Примерами бозонов являются фотоны, глюоны и мезоны.
Разница между этими двумя типами частиц особенно заметна при очень низких температурах. При таких условиях частицы проявляют свойства сверхпроводимости или сверхтекучести. Сверхпроводимость — это явление, при котором материал полностью теряет сопротивление электрическому току. Сверхтекучесть — это явление, при котором жидкость течет без трения.
Группа ученых из Университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германии под руководством профессора Артура Видера в сотрудничестве с теоретическим физиком Одедом Зильбербергом разработала способ создания двигателя из набора атомов, заставляя их вести себя то как бозоны, то как фермионы.
Для этого они использовали несколько сотен тысяч атомов лития, охлажденных до температуры в доли градуса от абсолютного нуля. Под воздействием тщательно настроенных магнитных полей атомы лития вели себя сначала как группа фермионов, но, после того как они образовывали пары похожие на молекулы, начинали вести себя как группа бозонов.
Ученые начали с набора бозонных пар атомов. Сначала они сжимали их, затем превращали в коллекцию фермионов, что увеличивало их коллективную энергию. Затем Видера и его коллеги позволяли атомам расширяться. Они также подстраивали магнитные поля, чтобы восстановить атомные пары и переключить их обратно в бозонное состояние — что понижало их общую энергию.
Таким образом, ученые использовали атомы как «рабочую жидкость» в обычных двигателях, где работа извлекается через повторяющийся цикл сжатия и расширения жидкости. В настоящее время квантовый двигатель на основе ультрахолодных атомов имеет эффективность около 25 процентов, но Видера говорит, что ученые могут улучшить ее.
«Не то чтобы мы хотели ездить на следующем Мерседесе Бенц с квантовым двигателем, но мы показали впервые, что можно приводить в движение двигатель с помощью чисто квантовой формы энергии», — говорит он.
Себастьян Деффнер из Университета Мэриленда, Балтимор-Каунти отмечает, что разница между фермионами и бозонами — это квантовое свойство, которое невозможно использовать в обычных машинах, выделяя новый двигатель из существующих устройств. Эта разница делает его подлинно квантовым ресурсом, и нужно ещё определить, можно ли его использовать технологически выгодным способом, говорит он.
Если их можно будет сделать более практичными, квантовые двигатели в конечном итоге могут быть использованы для зарядки других устройств, таких как квантовые батареи, говорит Габриэле Де Кьяра из Королевского университета Белфаста в Великобритании. Они также могут быть использованы «наоборот», говорит он, чтобы охлаждать устройства, такие как квантовые компьютеры, которые известны тем, что делают больше ошибок при повышении температуры.
А если более упрощенно?
Эта технология работает на основе квантового перехода между двумя типами частиц: фермионами и бозонами. Фермионы — это частицы, которые не могут занимать одно и то же квантовое состояние, а бозоны — это частицы, которые могут. Это означает, что фермионы имеют больше потенциальной энергии, чем бозоны, занимая один и тот же объем.
Ученые используют атомы лития, которые могут быть переведены из одного типа в другой с помощью магнитных полей. Когда атомы лития образуют пары, они становятся бозонами, а когда они разделяются, они становятся фермионами. Это позволяет ученым менять энергию атомов в зависимости от того, какой тип частиц они представляют.
Для создания двигателя ученые выполняют следующие шаги:
- Сжимают облако бозонных пар атомов лития, уменьшая его объем.
- Превращают бозоны в фермионы с помощью магнитных полей, увеличивая их энергию.
- Расширяют облако фермионов, увеличивая его объем.
- Превращают фермионы обратно в бозоны с помощью магнитных полей, уменьшая их энергию.
Этот цикл повторяется много раз, и каждый раз часть энергии выделяется в виде работы. Эта работа может быть использована для зарядки или охлаждения других квантовых устройств. Таким образом, квантовый двигатель преобразует квантовое свойство частиц в полезную энергию.
Что такое квантовый переход?
Квантовый переход — это явление, при котором квантовая система, такая как атом, молекула или атомное ядро, меняет свое состояние с одного энергетического уровня на другой. Это происходит скачкообразно, то есть без промежуточных состояний. Квантовый переход может сопровождаться испусканием или поглощением фотонов, то есть квантов света. Квантовый переход отличается от классического фазового перехода, который происходит при изменении температуры или давления и включает тепловые флуктуации.
Квантовый переход может происходить при нулевой температуре и зависит только от внешних параметров, таких как магнитное поле или давление. Квантовые переходы имеют важное значение в квантовой механике, квантовой химии, квантовой оптике и квантовых технологиях.
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.
Схема работы теплового двигателя
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 ηCarnot = (t1 − t2)/t1. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПД η к идеальному ηCarnot.
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.
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:
- Расстояние между уровнями E1 и E2 увеличивается и становится Δ1 = E1 − E2.
- Происходит контакт с нагревателем, система нагревается, то есть верхний энергетический уровень заселяется и изменяется энтропия рабочего тела. Это взаимодействия продолжается время τ1.
- Происходит сжатие между уровнями E1 и E2, то есть происходит работа над системой, теперь расстояния между уровнями Δ2 = E1 − E2.
- 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.
Цикл Отто на квантовой двухуровневой системе
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 ηCarnot.
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.
Российские ученые создают квантовый «вечный двигатель»
Российские ученые нашли способ создать квантовое устройство, нарушающее второе начало термодинамики и обладающее КПД, фактически равным 100%, говорится в статье, опубликованной в журнале Physics Review A. «Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, который, собственно, и является источником энергии, и холодильника, задача которого состоит в охлаждении рабочего тела двигателя. Холодильник понижает энтропию двигателя и при этом неизбежно тратит впустую часть тепловой энергии, полученной от нагревателя.
Именно поэтому КПД теплового двигателя никогда не достигает 100%”, — поясняет сотрудник Технического университета Цюриха и МФТИ в Долгопрудном Андрей Лебедев.
Одной из основ современной физики и космологии является концепция так называемой стрелы времени — постулат о том, что время в нашей Вселенной движется исключительно в одном направлении, из прошлого в будущее. Иными словами, мы перемещаемся сквозь четырехмерное пространство только в одном направлении по оси времени, и «перемотать» время назад невозможно.
С точки зрения физики это проявляется в том, что со временем неупорядоченность, хаотичность Вселенной, состояние, которое ученые называют энтропией, неуклонно растет. К примеру, этот процесс проявляется в том, как меняется состояние энергии Вселенной. Принцип, который ученые часто называют «вторым законом термодинамики», считается нерушимым правилом, управляющим жизнью всей Вселенной на всех уровнях.
Год назад ученые из МФТИ под руководством Гордея Лесовика из Института теоретической физики РАН обнаружили, что второе начало термодинамики может нарушаться на квантовом уровне. Это открыло дорогу для создания квантового аналога знаменитого демона Максвелла — гипотетического существа, сортирующего быстрые и медленные молекулы.
Эта идея натолкнула ученых на мысль, что подобных квантовых «демонов» можно использовать для создания машины, чей коэффициент полезного действия будет равен 100%. Для ее разработки ученые предлагают использовать две пары кубитов — элементарных вычислительных модулей и ячеек памяти квантовых компьютеров, связанных между собой на квантовом уровне.
Кубиты в двигателе Лесовика и его коллег выполняют две функции — поглощают тепло и позволяют «телепортировать» лишнюю энтропию за пределы системы, играя роль демона Максвелла. Это позволяет устройству фактически достичь состояния, эквивалентного вечному двигателю второго рода.
На самом деле, конечно, этот прибор не является вечным двигателем — как объясняет Лесовик, для его работы необходимо постоянно обновлять «демонские» кубиты, очищающие систему от энтропии, охлаждая их особым образом. С другой стороны, это делается за пределами самого устройства, что позволяет говорить о том, что формально второй закон термодинамики все же нарушается внутри него.
Сейчас Лесовик и его коллеги занимаются воплощением этой идеи на практике, создавая подобный вечный двигатель на базе сверхпроводящих кубитов — трансмонов.
Автор: Михаил Перельштейн
Источники: https://www.ixbt.com/, https://nplus1.ru/, https://naked-science.ru/
