Przedstawiciele Qufu Normal University, Uniwersytetu Hongkońskiego oraz Uniwersytetu w Palermo postanowili się o tym przekonać, dlatego opracowali i przetestowali eksperymentalnie kwantowy silnik cieplny, który spełnia te funkcje. Ich urządzenie może wytwarzać użyteczną energię, jednocześnie działając jak mikroskopijna lodówka. O dokładnym przebieg eksperymentu jego autorzy piszą na łamach Physical Review Letters.
Droga do sukcesu prowadziła przez zaprojektowanie nowego urządzenia opartego na zjawisku znanym jako ICO (nieokreślony porządek przyczynowy). W klasycznej fizyce zdarzenia zachodzą zawsze w określonej kolejności. Mówiąc krótko, jedno następuje po drugim. Mechanika kwantowa dopuszcza jednak sytuacje, w których kolejność dwóch procesów pozostaje jednocześnie w superpozycji. Oznacza to, że z punktu widzenia układu oba możliwe porządki zachodzą równocześnie.
Czytaj też: Myśliwiec przyszłości potrzebuje własnej elektrowni. Ten silnik ma zapewnić mu przewagę
Naukowcy wykorzystali tę nietypową właściwość do zbadania przepływu ciepła pomiędzy układem kwantowym a dwoma zbiornikami cieplnymi. Ku ich zaskoczeniu okazało się, że ciepło może zachowywać się w sposób niemożliwy do wyjaśnienia klasyczną termodynamiką. Zamiast płynąć wyłącznie z cieplejszego otoczenia do chłodniejszego, układ był w stanie pobierać energię z chłodniejszych rezerwuarów.
Muszę zaznaczyć, że nie oznacza to złamania drugiej zasady termodynamiki. Ten niezwykły efekt wynika z kwantowej natury całego procesu oraz obecności koherencji kwantowej, która zmienia sposób wymiany energii pomiędzy elementami układu. To właśnie dzięki temu możliwe było uzyskanie przepływu ciepła, którego nie obserwuje się w makroskopowym świecie.
Na bazie tego zjawiska badacze skonstruowali kwantowy odpowiednik silnika Otto, czyli jednego z najlepiej znanych modeli silników cieplnych. W klasycznej wersji taki silnik zamienia energię cieplną na pracę mechaniczną. Nowa konstrukcja wykorzystuje jednak anomalny przepływ ciepła do jednoczesnego wykonywania pracy oraz chłodzenia innego układu. Oznacza to, iż pojedyncze urządzenie może realizować funkcje, które dotychczas wymagały dwóch różnych maszyn.
Eksperyment odbył się z wykorzystaniem układu fotonicznego, w którym pojedyncze fotony odpowiadały za przenoszenie informacji. Wyniki pomiarów bardzo dobrze zgadzały się z wcześniejszymi przewidywaniami teoretycznymi, potwierdzając istnienie nietypowego przepływu ciepła oraz możliwość praktycznej realizacji nowego typu kwantowego silnika.
Rezultaty są przy okazji ważne z punktu widzenia fizyki kwantowej. Dotychczas uczeni zakładali, że podobne efekty mogą być jednoznacznym dowodem istnienia nieokreślonego porządku przyczynowego. Zespół odpowiedzialny za najnowsze doniesienia wykazał jednak, że identyczne rezultaty można uzyskać również w układach o klasycznie określonej kolejności zdarzeń. To ważna wskazówka dla naukowców badających granice między fizyką klasyczną a kwantową.
Czytaj też: Na co komu silniki, kiedy jest woda? Powstał napęd, który robi furorę swoim działaniem
Choć opracowane urządzenie pozostaje na razie demonstracją koncepcji, jego potencjalne zastosowania mogą okazać się bardzo szerokie. Jednym z największych problemów współczesnych komputerów kwantowych jest bowiem skuteczne odprowadzanie ciepła, które zakłóca delikatne stany kwantowe wykorzystywane do obliczeń. Silniki wykorzystujące anomalny przepływ energii mogłyby w przyszłości pomagać jednocześnie zasilać takie układy i utrzymywać ich odpowiednio niską temperaturę.
Podobne rozwiązania mogą znaleźć zastosowanie także w czujnikach kwantowych, urządzeniach obrazujących nowej generacji czy nanoskalowych systemach elektronicznych, gdzie zarządzanie przepływem ciepła staje się coraz większym wyzwaniem. Kolejnym krokiem będzie opracowanie bardziej praktycznych wersji silnika działających w rzeczywistych warunkach, a nie jedynie w cyklach laboratoryjnych. Badacze chcą sprawdzić, jak ograniczenia wynikające z czasu działania urządzenia oraz kosztów energetycznych pomiarów wpłyną na jego wydajność.
Źródło: Physical Review Letters
