Klasyczne silniki cieplne wykorzystują różnicę temperatur do wykonywania pracy. W uproszczeniu pobierają one energię w postaci ciepła z gorącego źródła, część zamieniają na pracę, a resztę oddają do chłodniejszego otoczenia. Zasady opisujące takie procesy naukowcy opisali w ramach klasycznej termodynamiki i przez dziesięciolecia z powodzeniem stosowali je do opisu maszyn działających w świecie makroskopowym.
Czytaj też: Chińczycy ustanowili rekord splątania kwantowego. Fantastyczny wynik eksperymentu
Problem pojawia się wtedy, gdy podobne procesy próbuje się przeprowadzić na poziomie pojedynczych atomów, jonów lub innych układów kwantowych. W takich warunkach materia nie zachowuje się już tak jak obiekty znane z codziennego życia. Cząstki mogą znajdować się w superpozycji stanów, a między tymi stanami może występować koherencja kwantowa.
Koherencja jest jednym z kluczowych elementów mechaniki kwantowej. Opisuje uporządkowaną relację pomiędzy stanami kwantowymi i może wpływać na sposób, w jaki układ wymienia energię z otoczeniem. Badania nad kwantowymi silnikami cieplnymi sugerują, iż odpowiednio wykorzystana koherencja może zwiększać moc urządzenia i umożliwiać mechanizmy pozyskiwania pracy, których nie da się opisać wyłącznie za pomocą klasycznych procesów stochastycznych.
Nie oznacza to jednak, że fizycy odkryli sposób na złamanie praw termodynamiki. Wcześniejsze badania nad termodynamiką kwantową wykazały, że procesy wspomagane przez koherencję mogą wyglądać na sprzeczne z klasycznymi ograniczeniami, lecz po uwzględnieniu pełnego opisu układu nie naruszają drugiej zasady termodynamiki. Kwantowe efekty mogą natomiast zmieniać sposób, w jaki definiuje się i wykorzystuje dostępne zasoby energetyczne.
Naukowcy badają więc kwantowe silniki cieplne, których substancją roboczą może być nawet pojedyncza cząstka. W przeciwieństwie do klasycznych maszyn nie muszą one zawierać tłoków, turbin ani innych dużych elementów mechanicznych. Ich działanie opiera się na kontrolowaniu stanów kwantowych i wymiany energii pomiędzy mikroskopijnym układem a jego otoczeniem.
Co szczególnie interesujące, w określonych warunkach kwantowe silniki mogą zachowywać się podobnie do swoich klasycznych odpowiedników. Eksperymenty ujawniły, że różne typy kwantowych maszyn cieplnych mogą mieć takie same wartości mocy, ciepła i wydajności, mimo że ich wewnętrzne mechanizmy są opisane za pomocą fizyki kwantowej. Jednocześnie obecność koherencji może ujawnić charakterystyczny kwantowy “podpis” takiego procesu.
Najważniejsze w kontekście ostatnich doniesień pozostaje to, że fizycy próbują zrozumieć, w jaki sposób klasyczne pojęcia, takie jak ciepło, praca, energia i entropia, zachowują się w świecie, w którym obowiązują zasady mechaniki kwantowej. Odpowiedź na to pytanie może pomóc stworzyć bardziej kompletną teorię termodynamiki, obejmującą zarówno codzienne silniki, jak i urządzenia działające na poziomie pojedynczych atomów. Kwantowe silniki nie zastąpią więc w najbliższym czasie turbin czy silników spalinowych, ale już teraz pokazują, iż znane prawa fizyki mogą przybierać zupełnie nową postać, gdy ze świata makroskopowego przechodzimy do królestwa pojedynczych cząstek.
Źródło: Physical Review Letters
