Fysikere undersøger grundlæggende grænser for kvantemotorer

(Phys.org) —Kvantemotorer vides at fungere anderledes end - og i nogle tilfælde udkonkurrerer - deres klassiske kolleger. Imidlertid, tidligere forskning om kvantemotorers ydelse kan overvurdere deres fordele. I en ny undersøgelse, fysikere har udviklet en forbedret metode til at beregne effektiviteten af ​​kvantemotorer. De viser, at kvantesystemers ultimative effektivitet er underlagt strammere grundlæggende grænser end dem, der er pålagt af termodynamikkens anden lov, som styrer effektiviteten af ​​klassiske systemer.

Fysikerne Obinna Abah og Eric Lutz ved Friedrich-Alexander Universitetet Erlangen-Nürnberg i Tyskland har udgivet et papir om de energieffektive kvantemaskiner i et nylig nummer af EPL . Abah er i øjeblikket en kongelig kommission for udstilling af forsker fra 1851 ved Queen's University i Belfast, Storbritannien.

Ydeevnen for enhver form for motor - kvante eller klassisk - bestemmes i høj grad af dens energieffektivitet (forholdet mellem energiudgang og energiindgang) og dens effekt (energiproduktionshastigheden på et givet tidspunkt). Konventionel termodynamik pålægger en afvejning mellem motorens effektivitet og dens effekt - altså når du øger en, den anden falder. For kvantemotorer, imidlertid, det er muligt at øge både effektiviteten og effekten på samme tid. Det betyder at, med de rigtige metoder, kvantemotorer kan potentielt producere mere energiproduktion fra en given mængde energiindgang, og gør det hurtigere end før forbedringen.

Nogle af de metoder, der giver mulighed for samtidig stigning i effektivitet og effekt, kaldes "genvej til adiabaticitet" -teknikker. Adiabatiske transformationer er meget ønskelige, fordi de spreder lidt energi, hvilket øger systemets effektivitet og fremskynder systemets dynamik, hvilket øger systemets effekt. Som deres navn antyder, genveje til adiabaticitet giver kvantemaskiner mulighed for at efterligne adiabatisk drift på meget kortere tid, end det er muligt ved hjælp af ægte adiabatiske transformationer, som er uendeligt langsomme.

Selvom tidligere forskning har vist fordelene ved genveje til adiabaticity for at forbedre ydelsen af ​​varmemotorer, disse metoder tegner sig typisk ikke for energiomkostningerne ved genvejsprotokollen ved beregning af systemets endelige effektivitet. Som resultat, effektivitetsforbedringerne på grund af genveje til adiabaticity ser ud til at være gratis, overdriver deres virkninger.

I den nye undersøgelse, Abah og Lutz udviklede en metode til at evaluere ydelsen af ​​et system, der tegner sig for energiomkostningerne ved disse genveje. Deres resultater viser, at genveje til adiabaticity kun forbedrer systemets ydeevne, hvis genvejen er tilstrækkelig hurtig, da hurtigere genveje har lavere energiomkostninger. På den anden side, meget langsomme genvejsprotokoller har højere energiomkostninger, der kan overstige eventuelle energigevinster.

"Vores arbejde viser, at højere effektivitet og højere effekt kan opnås på samme tid ved hjælp af genvej-til-adiabaticty-metoder, selv når der tages hensyn til de energiske omkostninger ved genvejen, "Fortalte Abah Phys.org .

Fysikerne viste også, at der er en grundlæggende grænse for effektiviteten af ​​en kvantemotor, uanset hvilken form for genveje til adiabaticity den bruger. Overraskende nok, grænserne for en kvantemotor er strengere end grænserne i termodynamikkens anden lov, som sætter de ultimative grænser for effektiviteten af ​​klassiske motorer.

Som fysikerne forklarer, årsagen til de strammere grænser for kvantemotorer er, fordi klassisk mekanik ikke sætter begrænsninger for en proceshastighed, der henviser til, at kvantemekanik har hastighedsbegrænsninger, som er givet ved "kvantehastighedsgrænser". Forskerne planlægger at sammenligne forskellige genvejsmetoder for at bestemme den, der fører til den mest energieffektive maskine. At forstå kvantehastighedsgrænser og deres grundlæggende begrænsninger for kvantesystemer er afgørende for at designe fremtidige kvantemotorer.

"Fremkomsten af ​​miniaturisering vil uundgåeligt føre til maskiner, der er så små, at deres dynamik generelt vil overholde kvantemekanikkens love i stedet for den klassiske mekanik, "Sagde Abah." Deres egenskaber vil så blive styret af kvantetermodynamik. "

© 2017 Phys.org