Cоздан новый квантовый двигатель, работающий на основе явления, которое высмеивал Эйнштейн

Фото: IFLS

Физики изучают странные свойства квантовых частиц в надежде, что они приведут к созданию более мощных и эффективных двигателей, чем их классические аналоги. До сих пор ученые еще многого не понимают в том, как различные аспекты квантовой физики могут помочь или помешать в работе двигателей. Авторы исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, создали экспериментальный квантовый двигатель, в основе которого лежит квантовая запутанность. Исследование показало, что она может помочь увеличить полезную энергию, которую вырабатывает двигатель, но не повышает эффективность преобразования энергии, пишет IFLScience.

Квантовая запутанность — что это?

Квантовая запутанность — это явление в квантовой физике, когда квантовые состояния нескольких частиц имеют взаимную зависимость. Она сохраняется даже тогда, когда частицы находятся далеко друг от друга и не могут иметь известные взаимодействия. Альберт Эйнштейн высмеивал это явление и называл его "жутким действием на расстоянии". Но за последние несколько лет физики добились большого успеха в запутывании все большего числа субатомных частиц на все больших расстояниях.

Считается, что практически применить квантовую запутанность лучше для обработки и передачи информации, но в то же время некоторые ученые считают, что ее можно использовать для создания квантовых двигателей.

Квантовый двигатель с фермионами и бозонами

В прошлом году группой физиков был создан такой двигатель, и он использует преобразование фермионного газа в бозонный конденсат и обратно вместо использования разницы в тепле, как в обычных двигателях. Фермионами и бозонами являются частицы, которые имеют различный спин (собственный момент импульса).

Бозоны могут группироваться вместе гораздо чаще, чем фермионы, поскольку к ним не применим принцип исключения Паули, который не позволяет двум фермионам одновременно занимать одно и то же квантовое состояние.

Для приведения в движение крошечных поршней квантового двигателя использовалось взаимодействие между расширяющимся фермионным газом и бозонами в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна. Этот двигатель имел КПД 25%, что с одной стороны очень много для такой инновации, а с другой стороны – это намного меньше, чем у других двигателей.

Новый квантовый двигатель с квантовой запутанностью

Авторы нового исследования использовали квантовую запутанность, при которой квантовое состояние каждой частицы неразрывно связано с состоянием других. Этот квантовый двигатель был создан на основе двух ионов кальция в ловушке, где степень квантовой запутанности можно было менять для измерения ее эффектов. Двигатель работает по четырехтактному циклу, начиная с поглощения фотонов лазера, далее идет фаза расширения, фаза перехода для соединения системы с квантовой нагрузкой и, наконец происходит сжатие.

По словам ученых, они впервые создали квантовый двигатель с запутанными характеристиками. Таким образом они подтвердили, что квантовая запутанность может служить своего рода "топливом". В качестве "топлива" физики выбрали запутанные состояния двух вращающихся ионов, а в качестве нагрузки выступали их колебательные режимы. Благодаря точной настройке частоты, амплитуды и продолжительности существования лазера ионы были переведены из исходного чистого состояния в сильно запутанное состояние.

Эффективность преобразования энергии не улучшилась при запутывании. Но механическая эффективность была выше при запутывании, то есть вырабатывалось больше полезной энергии. Даже при увеличении энергии квантовые двигатели по-прежнему будут иметь очень ограниченную область применения. Пока такие двигатели могут работать только при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform