Människor har lärt sig att bygga mycket kraftfulla förbränningsmotorer, men de har inte lärt sig det viktigaste - en betydande ökning av deras effektivitet. Gränsen för denna väg fastställs av den andra lagen om termodynamik, som säger att systemets entropi oundvikligen ökar. Men är det möjligt att övervinna denna gräns med hjälp av kvantfysik? Det visade sig att det är möjligt, men för detta var det nödvändigt att förstå att entropi är subjektiv, och värme och arbete är långt ifrån de enda möjliga energiformerna. För mer information om vad kvantmotorer är, hur de är ordnade och vad de kan, läs vårt material.
Under 300 års utveckling av tekniken för beräkning, design och konstruktion av motorer har problemet med att skapa en maskin med hög effektivitetsfaktor inte löst, även om det är avgörande för många vetenskapliga och tekniska områden.
Kvantfysik, som upptäcktes i början av 1900-talet, har redan gett oss många överraskningar i teknologiens värld: atomteori, halvledare, lasrar och slutligen kvantdatorer. Dessa upptäckter är baserade på de ovanliga egenskaperna hos subatomära partiklar, nämligen kvantkorrelationer mellan dem - ett rent kvant sätt att utbyta information.
Och det verkar som att kvantfysik är redo att överraska oss igen: år med utveckling av kvanttermodynamik har gjort det möjligt för fysiker att visa att kvantvärmemotorer kan ha hög effektivitet på små skalor, otillgängliga för klassiska maskiner.
Låt oss ta en titt på vad kvanttermodynamik är, hur värmemotorer fungerar, vilka förbättringar kvantfysik ger och vad som behöver göras för att skapa en effektiv framtidens motor.
Klassiska värmemotorer
I sin bok 1824 Reflections on the Motive Force of Fire räknade den 28-åriga franska ingenjören Sadi Carnot ut hur ångmotorer effektivt kan omvandla värme till arbete som får en kolv att flytta eller vrida på hjulet.
Kampanjvideo:
Till Carnons överraskning berodde effektiviteten hos en idealmotor endast på temperaturskillnaden mellan motorns värmekälla (en värmare, vanligtvis en eld) och en kylfläns (kylskåp, vanligtvis omgivningsluft).
Carnot insåg att arbete är en biprodukt av den naturliga övergången från värme från en varm till en kall kropp.
Schema för värmemotorns arbete.
I värmemotorer används följande cykel. Värme Q 1 tillförs från värmaren med temperaturen t 1 till arbetsvätskan, en del av värmen Q2 avlägsnas till kylen med temperaturen t2, t1> t 2.
Arbetet som utförts av värmemotorn är lika med skillnaden mellan den levererade och borttagna värmen: A = Q 1 - Q 2, och verkningsgraden η kommer att vara lika med η = A / Q 1.
Carnot visade att effektiviteten hos någon värmemotor inte kan överstiga effektiviteten för en idealisk värmemotor som arbetar under dess cykel med samma temperatur som värmaren och kylskåpet Effektivitet η till idealisk ηCarnot.
Sadi Carnot dog av kolera åtta år senare - innan han kunde se hur, redan på 1800-talet, hans formel för effektivitet förvandlades till teorin om klassisk termodynamik - en uppsättning universella lagar som kopplar temperatur, värme, arbete, energi och entropi.
Klassisk termodynamik beskriver de statistiska egenskaperna hos system genom att minska mikroparametrar, såsom partiklarnas position och hastighet, till makroparametrar: temperatur, tryck och volym. Termodynamiklagarna visade sig vara tillämpliga inte bara för ångmotorer utan också för solen, svarta hål, levande saker och hela universum.
Denna teori är så enkel och allmän att Albert Einstein trodde att den "aldrig kommer att kastas." Men från första början innehöll termodynamiken en extremt konstig position bland andra teorier om universum.
"Om fysiska teorier var mänskliga, skulle termodynamik vara en byhäxa," skrev fysiker Lydia del Rio för några år sedan. "Andra teorier tycker att hon är konstig, annorlunda än resten, men alla kommer till henne för att få råd och ingen vågar motsäga henne."
Termodynamik har aldrig påstått vara en universell metod för att analysera världen runt oss, utan snarare är det ett sätt att effektivt använda denna värld.
Termodynamik berättar för oss hur vi kan utnyttja resurser som het gas eller magnetiserad metall för att uppnå specifika mål, vare sig det rör sig om ett tåg eller formatera en hårddisk.
Dess mångsidighet kommer från det faktum att den inte försöker förstå de mikroskopiska detaljerna i enskilda system, utan bara bryr sig om att bestämma vilka operationer som är lätta att implementera i dessa system och vilka är svåra.
Denna metod kan verka konstig för forskare, men den används aktivt inom fysik, datavetenskap, ekonomi, matematik och många andra platser.
En av de konstigaste kännetecknen i en teori är subjektiviteten i dess regler. Till exempel har en gas som består av partiklar med samma temperatur i genomsnitt mikroskopiska temperaturskillnader vid närmare granskning.
Under de senaste åren har en revolutionerande förståelse av termodynamik uppstått, vilket förklarar denna subjektivitet genom kvantinformationsteori, som beskriver spridningen av information genom kvantsystem.
Precis som termodynamik ursprungligen växte ut ur försök att förbättra ångmotorer, beskriver modern termodynamik driften av redan kvantmaskiner - kontrollerade nanopartiklar.
För en korrekt beskrivning tvingas vi utvidga termodynamiken till kvantregionen, där begrepp som temperatur och arbete förlorar sin vanliga betydelse, och mekanikens klassiska lagar upphör att fungera.
Kvanttermodynamik
Kvanttermodynamikens födelse
I ett brev från 1867 till sin skotska kollega Peter Tate formulerade den berömda fysikern James Clark Maxwell den berömda paradoxen och antydde sambandet mellan termodynamik och information.
Paradoxen gällde termodynamikens andra lag - regeln att entropi alltid ökar. Som Sir Arthur Eddington senare noterade, har denna regel "en dominerande ställning bland naturlagarna."
Enligt den andra lagen blir energi mer störd och mindre användbar när den rör sig från heta till kalla kroppar och skillnaderna i temperatur minskar.
Och som vi minns från Carnot upptäckt, krävs en varm och kall kropp för att göra användbart arbete. Bränderna slocknar, kaffekopparna på morgonen svalnar, och universum rusar mot ett tillstånd av enhetlig temperatur känd som universums värmedöd.
Den stora österrikiska fysikern Ludwig Boltzmann visade att ökningen av entropi är en följd av lagarna i vanlig matematisk statistik: det finns många fler sätt att jämnt fördela energi mellan partiklar än för dess lokala koncentration. När partiklar rör sig tenderar de naturligtvis till högre entropistillstånd.
Men Maxwells brev beskrev ett tankeexperiment där en viss upplyst varelse - senare kallad Maxwells demon - använder sin kunskap för att minska entropin och bryta mot den andra lagen.
Den allsmäktige demonen känner till positionen och hastigheten för varje molekyl i en behållare med gas. Genom att dela behållaren i två halvor och öppna och stänga den lilla dörren mellan de två kamrarna låter demonen bara snabba molekyler i en riktning och endast långsamma i den andra.
Demons handlingar delar upp gasen i varmt och kallt, koncentrerar sin energi och minskar den totala entropin. En en gång värdelös gas med en viss medeltemperatur kan nu användas i en värmemotor.
Under många år undrade Maxwell och andra hur naturlagen kunde bero på att veta eller inte veta molekylernas position och hastighet. Om termodynamikens andra lag är subjektivt beroende av denna information, hur kan det vara absolut sanningen?
Förhållande mellan termodynamik och information
Ett århundrade senare löste den amerikanska fysikern Charles Bennett, som arbetade med Leo Szilard och Rolf Landauer, paradoxen genom att formellt koppla termodynamik till informationsvetenskapen. Bennett hävdade att demonens kunskap lagras i hans minne och att minnet måste rensas, vilket kräver arbete.
1961 beräknade Landauer att en dator behöver i rumstemperatur minst 2,9 x 10-21 joule för att radera en bit lagrad information. Med andra ord, när en demon separerar varma och kalla molekyler, minskar gasens entropi, förbrukar hans medvetande energi, och den totala entropin av gas + demonsystemet ökar utan att bryta mot den andra termodynamiklagen.
Forskning har visat att information är en fysisk mängd - ju mer information du har, desto mer arbete kan du få ut. Maxwells demon skapar arbete från gas vid en temperatur, eftersom han har mycket mer information än en vanlig observatör.
Det tog ytterligare ett halvt sekel och kvantinformationsteoriens glansdag, ett fält som föddes av strävan efter kvantdatorn, för fysiker att i detalj studera de häpnadsväckande implikationerna av Bennetts idé.
Under det senaste decenniet har fysiker antagit att energi reser från heta föremål till kalla föremål på grund av ett visst sätt information sprids mellan partiklar.
Enligt kvantteori är de fysiska egenskaperna hos partiklar sannolika och partiklar kan ligga i en superposition av tillstånd. När de interagerar blir de förvirrad genom att kombinera sannolikhetsfördelningarna som beskriver deras tillstånd.
Den centrala positionen för kvantteorin är uttalandet om att information aldrig går förlorad, det vill säga universums nuvarande tillstånd behåller all information om det förflutna. Men med tiden, när partiklarna samverkar och blir mer och mer förvirrad, blandas information om deras individuella tillstånd och fördelas bland fler och fler partiklar.
Koppen kaffe svalnar till rumstemperatur, eftersom när kaffemolekyler kolliderar med luftmolekyler, den information som kodar för kaffenergin läcker ut, överförs till den omgivande luften och förloras i den.
Men förståelse av entropi som ett subjektivt mått gör att universum som helhet kan utvecklas utan förlust av information. Även när entropin för delar av universum, till exempel gaspartiklar, kaffe, N + 1-läsare, växer när deras kvantinformation förloras i universum, förblir universums globala entropi alltid noll.
Kvantvärmemotorer
Hur kan man nu använda en djupare förståelse av kvanttermodynamik för att bygga en värmemotor?
2012 grundades det teknologiska europeiska forskningscentret för kvanttermodynamik och sysselsätter idag över 300 forskare och ingenjörer.
Centrets team hoppas undersöka lagar som reglerar kvantövergångar i kvantmotorer och kylskåp som en dag kyler datorer eller kan användas i solpaneler, bioingenjörer och andra applikationer.
Forskare förstår redan mycket bättre än tidigare vad kvantmotorer kan.
En värmemotor är en anordning som använder en kvantbearbetningsvätska och två behållare vid olika temperaturer (värmare och kylare) för att utvinna arbete. Arbetet är överföring av energi från motorn till någon extern mekanism utan att ändra mekanismens entropi.
Å andra sidan är värme utbytet av energi mellan arbetsvätskan och reservoaren, vilket förändrar behållarens entropi. Med en svag anslutning mellan behållaren och arbetsfluiden, är värme förknippad med temperaturen och kan uttryckas som dQ = TdS, där dS är förändringen i reservoarentropin.
I en elementär kvantvärmemotor består arbetsfluiden av en partikel. En sådan motor uppfyller den andra lagen och begränsas därför också av Carnot-effektivitetsgränsen.
När arbetsmediet bringas i kontakt med behållaren förändras befolkningen i energinivåerna i arbetsmediet. Den definierande egenskapen hos reservoaren är dess förmåga att föra arbetsfluiden till en given temperatur oavsett kroppens initiala tillstånd.
I detta fall är temperaturen en parameter för systemets kvanttillstånd, och inte en makroparameter, som i klassisk termodynamik: vi kan tala om temperatur som energinivån.
I processen med energiutbyte med behållaren utbyter kroppen också entropi, därför anses energiutbyte i detta skede som värmeöverföring.
Tänk till exempel på kvant-Otto-cykeln, där ett två-nivåssystem fungerar som en arbetsfluid. I ett sådant system finns det två energinivåer, som var och en kan befolkas; låt marknivån vara E 1 och den upphetsade nivån E 2. Otto-cykeln består av fyra steg:
I. Avståndet mellan nivåerna E1 och E2 ökar och blir Δ 1 = E1 - E 2.
II. Det finns kontakt med värmaren, systemet värms upp, det vill säga den övre energinivån fylls och arbetsfluidens entropi förändras. Denna interaktion varar tid τ 1.
III. Det finns en komprimering mellan nivåerna E1 och E 2, det vill säga att det finns arbete på systemet, nu är avståndet mellan nivåerna Δ 2 = E1 - E 2.
IV. Kroppen bringas i kontakt med kylen under en tid τ 2, vilket ger den möjlighet att koppla av, tömma den övre nivån. Den lägre nivån är nu helt befolkad.
Här kan vi inte säga något om temperaturen på arbetsvätskan, bara temperaturen på värmaren och kylskåpet. Det perfekta verket kan skrivas som:
dW = (p 0 (t 1) - p 1 (t 2)) (Δ 1 - Δ 2), (1)
där p 0 (1) är sannolikheten för att arbetsfluiden var i marken (exciterad). Effektiviteten för denna kvant fyrtaktsmotor är η = 1 - Δ 1 / Δ 2.
Otto-cykel på ett kvant två-nivå-system.
Exempelvis är det möjligt att bygga en kvantmotor där en superledande kvbit spelar rollen som en arbetsfluid, och två normala motstånd med olika motstånd används som värmare och kylskåp.
Dessa motstånd genererar brus som har en karakteristisk temperatur: stort brus - värmare, litet - kylskåp.
Rätt drift av en sådan motor visades i arbetet med forskare från Aalto-universitetet i Finland.
Vid implementeringen av Otto-cykeln kan skillnaden mellan energinivåerna moduleras med ett konstant magnetiskt flöde, det vill säga "pressa" eller "expandera" nivåerna, och att koppla på interaktionen med behållarna uppnåddes utmärkt med korta mikrovågsignaler.
2015 beräknade forskare vid det hebreiska universitetet i Jerusalem att sådana kvantmotorer kunde överträffa klassiska motsvarigheter.
Dessa probabilistiska motorer följer fortfarande Carnot-formeln för effektivitet när det gäller hur mycket arbete de kan hämta ut från energin som passerar mellan varma och kalla kroppar. Men de kan hämta arbete mycket snabbare.
En enkeljonmotor demonstrerades och presenterades experimentellt 2016, även om den inte använde kvanteffekter för att förstärka effekten.
Nyligen byggdes en kvantvärmemotor baserad på kärnmagnetisk resonans, vars effektivitet var mycket nära den perfekta ηCarnot.
Kvantvärmemotorer kan också användas för att kyla både stora och mikroskopiska system, till exempel qubits i en kvantdator.
Att kyla ett mikrosystem innebär att populationerna minskar vid upphetsade nivåer och minskande entropi. Detta kan göras genom samma termodynamiska cykler som rör värmaren och kylen, men kör i motsatt riktning.
I mars 2017 publicerades en artikel där den tredje lagen för termodynamik med hjälp av kvantinformationsteori härleddes - ett uttalande om omöjligt att nå absolut noll temperatur.
Författarna till artikeln visade att begränsningen av kylningshastigheten, som förhindrar uppnående av absolut noll, beror på begränsningen av hur snabbt information kan pumpas ut från partiklar i ett objekt av ändlig storlek.
Hastighetsgränsen har mycket att göra med kylkapaciteten hos kvantkylskåp.
Kvantmotorernas framtid
Snart kommer vi att se kvantteknologins storhetstid, och sedan kan kvantvärmemotorer hjälpa mycket.
Det fungerar inte att använda ett kylskåp för att kyla mikrosystem på grund av dess oberoende funktion - i genomsnitt är temperaturen i det lågt, men lokalt kan det nå oacceptabla värden.
På grund av den nära anslutningen av kvanttermodynamik med information kan vi använda vår kunskap (information) för att utföra lokalt arbete - till exempel för att implementera kvantdemonen Maxwell med hjälp av flera nivåer för att kyla (rena tillståndet) av qubits i en kvantdator.
När det gäller kvantmotorer i större skala är det för tidigt att hävda att en sådan motor kommer att ersätta en förbränningsmotor. Hittills har motorer med en enda atom för låg verkningsgrad.
Det är emellertid intuitivt klart att när vi använder ett makroskopiskt system med många frihetsgrader, kommer vi bara kunna utvinna en liten del av det användbara arbetet, eftersom ett sådant system endast kan kontrolleras i genomsnitt. I konceptet kvantmotorer blir det möjligt att styra system mer effektivt.
För närvarande finns det många teoretiska och tekniska frågor inom vetenskapen om nanoskala värmemotorer. Till exempel är kvantfluktuationer ett stort problem, vilket kan skapa "kvantfriktion", införa extra entropi och minska effektiviteten hos motorn.
Fysiker och ingenjörer arbetar nu aktivt med optimal kontroll av kvantarbetsvätskan och skapandet av en nanheater och nanokylare. Förr eller senare kommer kvantefysik att hjälpa oss skapa en ny klass av användbara enheter.
Mikhail Perelstein
