Hvordan overvågning af en quantum Otto-motor påvirker dens ydeevne

Varmemotorer er enheder, der bruger spildvarme til at udføre mekanisk arbejde og generere strøm. Opfindelsen af ​​varmemotorer indledte en æra med den industrielle revolution for 250 år siden. Otto-motoren, som bruger forskellige varme- og arbejdsslag, driver næsten alle biler og er en industristandard på grund af dens relativt høje effekt og effektivitet. I en Otto-motor er et arbejdsstof typisk en gas, der er begrænset til et stempel, som gennemgår fire efterfølgende slag:Den komprimeres først, derefter varmes den op, udvides og til sidst køles ned til dens begyndelsestemperatur.

I dag bringer betydelige fremskridt inden for nanofremstilling kvantevarmemotorer frem i rampelyset. Ligesom deres klassiske modstykker kunne kvantevarmemotorer drives i sammenhænge, ​​der kan være kontinuerlige eller cykliske. I modsætning til klassiske motorer, som bruger en makroskopisk mængde af arbejdsstoffet, har arbejdsstoffet i en kvantemotor udtalte kvantetræk. Den mest fremtrædende af disse er diskretheden af ​​de mulige energier, den kan tage. Endnu mere besynderligt fra det klassiske synspunkt er det faktum, at et kvantesystem kan eksistere i to eller flere af dets tilladte energier på samme tid. Denne egenskab, som ikke har nogen klassisk analog, er kendt som kvantekohærens. Ellers er en quantum Otto-motor også kendetegnet ved firetakts som sin klassiske pendant.

At bestemme quantum Otto-motorens ydeevnemålinger, såsom effekt eller effektivitet, er nøglen til at forbedre design og skræddersy bedre arbejdsstoffer. En direkte diagnose af sådanne metrikker kræver måling af motorens energier ved begyndelsen og slutningen af ​​hvert slag. Mens en klassisk motor kun er ubetydeligt påvirket af målinger, forårsager selve målingen i kvantemotorer en bizar måleeffekt, hvor motorens kvantetilstand påvirkes alvorligt via kvantemekanikken. Vigtigst er det, at enhver sammenhæng i systemet ved slutningen af ​​cyklussen ville blive fuldstændig fjernet af måleeffekten.

Det har længe været antaget, at disse mærkelige måling-inducerede effekter er irrelevante for forståelsen af ​​kvantemotorer og derfor er blevet forsømt i traditionel kvantetermodynamik. Desuden er der ikke tænkt meget over designet af overvågningsprotokoller, der giver en pålidelig diagnose af motorens ydeevne, mens den minimalt ændres.

Imidlertid kan ny banebrydende forskning udført ved Center for Teoretisk Fysik af Komplekse Systemer inden for Institute for Basic Science, Sydkorea, ændre dette stive perspektiv. Forskerne undersøgte virkningen af ​​forskellige målebaserede diagnostiske skemaer på ydeevnen af ​​en kvante Otto-motor. Derudover opdagede de en minimalt invasiv målemetode, der bevarer sammenhæng på tværs af cyklusserne.

Forskerne brugte det såkaldte gentagne kontaktskema, hvor de registrerer motorens tilstande ved hjælp af en hjælpesonde, og målinger af sonden udføres først i slutningen af ​​motorens arbejdscyklusser. Dette omgår behovet for at måle motoren gentagne gange efter hvert slag og undgår uønskede måleinducerede kvanteeffekter såsom fjernelse af enhver sammenhæng, der blev opbygget under cyklussen.

Bevarelsen af ​​sammenhæng i hele motorens levetid forbedrede kritiske præstationsmålinger som den maksimale effekt og pålidelighed, hvilket gjorde motoren mere dygtig og pålidelig. Prof. Thingna siger:"Dette er det første eksempel, hvor indflydelsen fra en eksperimentator, der ønsker at vide, om motoren gør, hvad den er designet til at gøre, er blevet ordentligt overvejet."

Ved at dække et bredt spektrum af forskellige driftsformer for motorer med et arbejdsstof, der kun har to kvantetilstande, fandt forskerne ud af, at for idealiserede cyklusser, der udfører uendeligt langsomt, gør det ingen forskel, hvilket overvågningsskema der anvendes. Men alle motorer, der kører i begrænset tid og derfor er af praktisk interesse, fungerer betydeligt bedre med hensyn til deres effekt og pålidelighed, når de overvåges i henhold til det gentagne kontaktskema.

Samlet set konkluderede forskerne, at karakteren af ​​måleteknikkerne kan bringe teori tættere på eksperimentelle data. Derfor er det afgørende at tage disse faktorer i betragtning ved overvågning og test af kvantevarmemotorer. Denne forskning blev offentliggjort i Physical Review X Quantum .