Skip to content Skip to left sidebar Skip to right sidebar Skip to footer

Квантови двигатели – новото във втория закон на термодинамиката

Квантови двигатели

Квантови двигатели – новото във втория закон на термодинамиката.

Двигателите с вътрешно горене работят благодарение на известния втори закон на термодинамиката. Този закон важи и за супер малки двигатели в квантовата сфера, но с малки отклонения. Изследванията установяват, че квантовото заплитане може да помогне на отделните атоми да управляват термични машини.

Информацията със сигурност е важна за разбирането на термодинамиката. Също така е абсолютно необходима за разбирането на отделни части на квантовата механика. Малки парчета материя могат да съществуват на две места едновременно, това явление се нарича суперпозиция. Две или повече частици могат да бъдат разбити в така нареченото заплетено състояние. Объркващо свързващо свойствата на частиците, независимо от разстоянието между тях.

Квантови двигатели

Някои изследователи наблюдават индустрията за компютърни чипове на стойност няколко милиарда долара. В стремежа си да създават все по-бързи компютри, инженерите продължават да намаляват транзисторите. Така все повече и повече от техния брой да се опаковат в чипове. Транзисторите с ширина няколко десетки нанометра са склонни да изпускат електрони и да се нагряват. Тази топлина разрушава енергийната ефективност на компютъра и уврежда компонентите.

Докато вторият закон остава в сила, способността да се използва информация от квантовите ефекти помага да се направи нещо,  което не е било възможно да се направи класически.

Непоклатимия Втори закон на термодинамиката и неговото „огъване“

Когато френският инженер Сади Карно изчисли максималната ефективност на топлинния двигател през 1824 г., Той нямаше представа каква е топлината. В онези дни физиците вярваха, че топлината е течност, наречена калория. Но за Карно, който по-късно се разглежда като пионер в установяването на втория закон на термодинамиката, и не е необходимо да се знаят тези подробности, защото термодинамиката е нечувствителна към микроскопичните детайли. Топлината винаги се разпространява от гореща до студена, независимо дали е съставена от течност или метал. Термодинамиката, законите и уравненията, управляващи енергията и нейната полезност за работа, се отнасят само до общата картина.

Това е успешен класически подход. Както се изисква от термодинамиката, енергията винаги се запазва (първият закон) и когато се разпространява от горещо към студено, тя може да свърши работата, ограничена от генерирането на разстройство или ентропия (вторият закон). Тези закони определят всичко от разстоянието на движение на литър гориво, което двигателят на автомобила може да реализира до батерията на батерията на смартфона. Те помагат на физиците да разберат по-добре черните дупки и да разберат защо времето се движи напред, а не назад.

И все пак,

общият подход, който отчита полето накара физиците да се замислят дали термодинамиката действа на всички нива. Ще работи ли, ако двигателят се състои от три молекули, а не от типичния трилион? Може би термодинамичният код не е толкова жесток в област с много малки размери.

Квантови двигатели

Учените от Университета във Ватерло, Канада са разработили първия квантов термичен двигател в света. Изследователите са използвали система с 1/2 въртене на базата на молекула хлороформ и са приложили техники за ядрено-магнитен резонанс. С помощта на радиочестотно поле те променят магнитния момент на ядреното ядро на изотопа въглерод-13, за да получат  термодинамичния цикъл използван в двигателите с вътрешно горене.

През последните няколко десетилетия физиците постепенно изследваха топлинния поток на квантово ниво. Те бяха заинтригувани от откритите нарушения на втория закон на термодинамиката. Засега вторият закон остава в сила, но новите точни експериментални методи позволяват на физиците да изследват по-пълно квантовите основи на термодинамиката и да получат интересни резултати. Чрез тестване на границите, определени от теоретиците, изследователите изграждат малки двигатели, някои от които се задвижват от един атом, и измерват слабата мощност на устройствата. Експериментите, проведени през годините, показаха, че ако вторият закон на термодинамиката наистина е нарушен в малък мащаб, това нарушение не е много голямо.

Дори ако физиците не могат да нарушат термодинамичните правила, последните данни предлагат начини да ги „огънат“ – особено чрез използване на начина, по който квантовото заплитане преплита заедно „съдбите“ на няколко частици. Например, техниките, използвани при обработката на квантова информация, могат да се окажат полезни за изтласкване на допълнителна енергия от миниатюрни двигатели. Тези постижения, например, могат да помогнат на учените да създадат наномашини, които събират топлина и я използват, за да доставят лекарства на тялото или да помогнат за намаляване на загубите на енергия в малките компоненти на традиционните компютри.

Квантови двигатели

Бъдещето на практическото приложение на тази работа ще зависи от разбирането как основните термодинамични принципи действат в супер малък мащаб.

В проведените проучвания квантовият двигател надмина традиционния си еквивалент, без никакви специални настройки в неговата среда. Устройството използва странна физика на много малки обекти, за да произведе по-голяма мощност от стандартен или класически двигател при същите условия.

„Учените много убедително показаха, че квантовата машина работи по – добре от класическата“, казва физикът Марк Мичисън от Тринити Колидж в Дъблин. „Това е много важна стъпка напред.“

Квантови двигатели

Класическа схема на работа на топлинния двигател.

Устройството

е тип термичен двигател. Традиционните топлинни двигатели превръщат топлината в движение. Например, двигателят с вътрешно горене на автомобила изгаря горивото, за да премести буталата над цилиндъра, което води до преместване на автомобила напред. Други топлинни двигатели имат увеличена мощност. Но увеличение на силата на тези машини разчита на промените в околната среда извън основната машина. Например, машини източник на топлина, може да се възползват допълнително от тези свои свойства. Затова голямата мощност не е напълно характерна особеност на самата машина.

В ново проучване квантовият двигател не работи чрез запалване на бензин, а чрез лазер, за да принуди електрона в малък дефект на диамантен кристал да скочи между енергийните нива. И вместо да движи буталата, квантовата машина извежда силата си в електромагнитни вълни.

Това е мястото, където се появява квантовата част: предмети, които се държат в съответствие с квантовата механика, понякога се намират в състояние на неопределеност, известен като бр, т.е. те са на две места едновременно или в две различни конфигурации. Електронът в квантовия двигател може да бъде в суперпозиция на две енергийни нива. Сякаш буталото на двигателя на автомобила е едновременно в горната и долната позиция.

При определени условия това свойство води до увеличаване на изходната мощност в сравнение с Максималната мощност, възможна за традиционния термичен двигател. „Това е първият експеримент, при който е постигнат такъв режим“, казва физикът Роберто Сера от Федералния университет на ABC в Санто Андре, Бразилия.

Квантовото увеличение

на мощността се проявява само ако двигателят работи изключително внимателно като автомобилен двигател, при който буталата се движат леко по време на всеки цикъл. Това означава, че квантовата машина не замества всички възможни конкуренти, а само тези, които също работят в това спокойно състояние, и докато повечето от тях работят на други режими.

Така че не очаквайте тези квантови двигатели да захранват превозни средства или устройства скоро. „Ако се опитвате да изградите кола или реактивен двигател … това е абсолютно безполезно“, казва физикът Иън Уолмсли от Лондонския Имперски колеж, съавтор на изследването.

Вместо това изследванията на учените разкриват нови подробности за това как квантовата механика взаимодейства с термодинамиката, теория, която управлява топлината, температурата и енергията. В този случай новият двигател отваря вратичка за нормални ограничения за производството на електроенергия. „Ние не променихме структурата на термодинамиката, но открихме нова част от нея“, казва Уолмсли.

Вместо да анализира ентропията директно, екипът на Опенхайм изследва колко енергия има системата, за да свърши работата. Количество наречено свободна енергия. В нашия макроскопичен свят количеството свободна енергия зависи само от температурата и ентропията на системата. Но приближавайки се до по-малки и по-малки колекции от частици, изследователите установиха. Трябва да се вземат предвид още няколко вида свободна енергия. Всеки от тях намалява с течение на времето. С други думи, вторият закон изисква спазването на още повече правила на квантово ниво.

Информационно предимство на превръщането на топлината в работа

Много физици се опитват да използват суперпозиция, квантово заплитане и други квантови ощипвания, за да изпълняват информационни задачи, които не са възможни според правилата на класическата физика. Изследователите предполагат свръхзащитни комуникационни мрежи и квантови компютри, които използват заплетени фотони или йони за лесно решаване на сложни проблеми.

Квантови двигатели

Цикъл Ото на квантовата двустепенна система.

Но информацията означава много повече от прост обмен обработка на единици и нули. В резултат на това физиците, отразяващи квантовото изчисление и комуникацията, насочиха вниманието си към термодинамиката. Те започнаха да решават дали свойства като заплитане също могат да дадат предимство при превръщането на топлината в работа.

Получаването на информация в аванс може да развие технология, която превъзхожда втория закон. Тези нови свойства превъзхождат най-добрите двигатели познати на нас в живота.

Двигател с размерите на атом

В близко бъдеще учените ще могат в лабораториите да експериментират с двигатели, използващи квантови ефекти. Германските изследователи вече са направили крачка към тази цел. Те са построили термичен двигател, състоящ се от един атом. Йоханес Роснагел е квантов физик от Университета в Майнц. Той и колегите му изобретиха конусообразна обвивка около калциевия Йон. След като използват лазер и електрическо поле за загряване на Йона с около една степен над абсолютната нула. Изследователите измерват работата, извършена от Йона, когато той упражнява малко усилие към върха на конуса.

Типичният двигател (вляво) използва топлинна енергия, за да задвижва турбина или да изпълнява друга задача. Намаления размер двигател до минимум, който може да накара един атом да трепти и върши работа.

Квантови двигатели

Изследователите казват, че наноскопичният двигател работи в съответствие със законите на термодинамиката. Роснагел казва, че като се има предвид малкото тегло на Йона, мощността е сравнима с тази на автомобилния двигател.

„Доста е вълнуващо да видите, че можете да управлявате термични машини с един атом“, казва той.

Rosnagel казва, че може да очакваме наномащабните двигатели за масова употреба в следващото десетилетие. Паралелно с това квантовата термодинамика вероятно ще се развива и с други технологии.

Квантова термодинамика и контрол на топлината.

Някои изследователи наблюдават индустрията за компютърни чипове на стойност няколко милиарда долара. В стремежа си да създават все по-бързи компютри, инженерите продължават да намаляват транзисторите, като ги превръщат в чипове. Транзисторите с ширина няколко десетки нанометра са склонни да изпускат електрони и да се нагряват. Тази топлина разрушава енергийната ефективност на компютъра и уврежда компонентите. Квантовата термодинамика може да помогне на физиците да научат трикове как да намалят количеството загубена топлина. Дори да я ползват на малки устройства в компютъра.

Управлението на топлината е изключително важно за физиците. Те искат да създадат практични квантови компютри. Такова устройство трябва да работи при изключително ниски температури, за да използва квантовите ефекти. То трябва потенциално да превъзхожда традиционните компютри.

Някои представители на физиката твърдят, че подобни експерименти могат да нарушат основния втори закон на термодинамиката.