Квантовые машины — применимы ли законы квантовой механики в макроскопических объектах?

28.09.2017

Физики Obinna Abah и Eric Lutz из университета Эрлангена — Нюрнберга в Германии в недавнем выпуске журнала EPL опубликовали статью об энергоэффективных квантовых машинах.

В этой статье говорится не о создании супер эффективных машин, а лишь разбирается один из методов, использование которого, теоретически поможет такие машины создать и о не совсем правильной трактовке уже полученных результатов.

Квантовая машина — техническое устройство, функционирование которого происходит в соответствии с законами квантовой механики. Идея о том, что макроскопические объекты могут следовать законам квантовой механики, появилась ещё при разработке основ квантовой механики в начале XX века. В то же время, как продемонстрировал мысленный эксперимент с котом Шрёдингера, при переходе от субатомных систем к макроскопическим квантовая механика отличается неполнотой. Последующие эксперименты показали, что квантовые состояния движения наблюдались только в особых условиях при сверхнизких температурах. Квантовые эффекты в макроскопических объектах могут возникать также в результате быстрой квантовой декогеренции.

Первая реально действующая квантовая машина была создана в 2009 году, и в 2010 году журналом Science она была названа «Прорывом года».

Любого рода поведение двигателя – квантового или классического – во многом определяется его энергоэффективностью (соотношение расходуемой энергии к потребляемой энергии) и мощностью (отношение расходуемой энергии к данному времени). Общепринятая термодинамика устанавливает баланс между эффективностью и мощностью двигателя, что значит, когда вы увеличиваете один показатель, другой уменьшается. Для квантовых двигателей, однако, возможно увеличение обоих показателей одновременно. Это означает, что, используя правильные методы, квантовые двигатели могут потенциально производить больше потребляемой энергии из данного количества расходуемой энергии, и делать это на скорости, выше прежней. 

Процесс одновременного увеличения и эффективности, и мощности называется адиабатическим — это термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством. Это означает, что увеличение эффективности системы и её выходной мощности происходит за счёт того, что она, система, не рассеивает (или рассеивает в минимальном количестве) энергию в виде теплоты. Считается, что адиабатические процессы обратимы только тогда, когда в каждый момент времени система остаётся равновесной (например, изменение состояния происходит очень и очень медленно) и изменения энтропии не происходит.

Если термодинамический процесс в общем случае представляет собой три процесса — теплообмен, совершение системой (или над системой) работы и изменение её внутренней энергии, то адиабатический процесс в силу отсутствия теплообмена системы со средой сводится только к последним двум процессам.

Как рассказывают авторы исследования, кратчайшие пути, как они сами их называют, к адиабатичности позволяют квантовым машинам имитировать адиабатные операции в более короткий отрезок времени, чем это возможно при использовании подлинных адиабатных трансформаций, бесконечно медленных. 

Хотя предыдущее исследование продемонстрировало преимущества кратчайших путей к адиабатичности для усовершенствования поведения тепловых двигателей, эти методы обычно не дают объяснения затратам энергии на протоколе кратчайшего пути, когда высчитывается общая эффективность системы. Вероятнее всего, улучшения эффективности в связи с кратчайшими путями к адиабатичности демонстрируются только в случае вырывания части результатов из контекста. 

В новом исследовании Obinna Abah и Eric Lutz разработали метод оценки поведения системы, который вычисляет значение энергии для кратчайших путей. Эти результаты показывают, что кратчайшие пути к адиабатичности совершенствуют поведение системы, только если кратчайший путь достаточно быстрый, т.к. ускоренные пути имеют меньшую энергетическую стоимость. С другой стороны, очень медленная обработка путей имеет более высокую энергетическую стоимость, что может превышать любую потенциальную полученную энергию. 

«Наша работа показывает, что достичь одновременно более высокой эффективности и мощности можно с помощью методов кратчайших путей к адиабатичности, даже когда энергетическая стоимость пути принимается в расчёт», говорит Obinna Abah. 

Физики также показали, что существует фундаментальный предел эффективности любого квантового двигателя, вне зависимости от того, какой используется вид кратчайшего пути к адиабатичности. Как ни странно, пределы квантового двигателя точнее, чем пределы, накладываемые вторым законом термодинамики, который устанавливает конечные пределы на эффективность классических двигателей. 

Как объясняют физики, причина более точных пределов квантовых двигателей заключается в том, что классическая механика не накладывает ограничения на скорость процесса, в то время как в квантовой механике есть скоростные ограничения, которые задаются «квантовыми скоростными пределами». Учёные планируют сравнить разные методы кратчайших путей для того, чтобы определить единое направление для большинства энергоэффективных машин. Понимание квантовых скоростных пределов и их фундаментальных ограничений квантовых систем существенно для создания будущих квантовых двигателей. 

«Появление миниатюризации неизбежно приведет к возникновению машин, настолько крошечных, что их динамика будет, главным образом, подчиняться законам квантовой механики, вместо законов классической механики», говорит Аба. «Их возможности будут управляться квантовой термодинамикой». 

Оригинал статьи со всеми подробностями для тех, кто хорошо разбирается в физике.

__________

Д.