Как мониторинг квантового двигателя Отто влияет на его производительность

Сегодня, когда мы достигли значительных успехов в области нанопроизводства, квантовая революция приближается, и квантовые тепловые двигатели находятся в центре внимания. Как и их классические аналоги, квантовые тепловые машины могут работать по различным протоколам, которые могут быть непрерывными или циклическими. В отличие от классического двигателя, в котором используется макроскопическое количество рабочего вещества, рабочее вещество квантового двигателя имеет ярко выраженные квантовые особенности. Наиболее заметным из них является дискретность возможных энергий. Еще более диковинным с классической точки зрения является тот факт, что квантовая система может одновременно находиться в двух или более разрешенных ей энергиях. Это свойство, не имеющее классического аналога, известно как «когерентность». В остальном квантовый двигатель Отто также характеризуется четырьмя тактами, как и его классический аналог.

Определение показателей производительности квантового двигателя Отто, таких как выходная мощность или эффективность, является ключом к совершенствованию конструкции и адаптации рабочих веществ. Прямая диагностика таких показателей требует измерения энергии двигателя в начале и в конце каждого такта. В то время как классический двигатель лишь незначительно зависит от измерений, в квантовых двигателях сам акт измерения вызывает странный эффект измерения, в котором квантовое состояние двигателя сильно зависит от квантовой механики. Что наиболее важно, любая согласованность в системе в конце цикла будет полностью устранена эффектом измерения.

Долгое время считалось, что эти странные эффекты, вызванные измерениями, не имеют отношения к пониманию квантовых двигателей и, следовательно, игнорируются в традиционной квантовой термодинамике. Более того, не так много внимания было уделено разработке протоколов мониторинга, которые дают надежную диагностику производительности двигателя при минимальном ее изменении.

Однако новые прорывные исследования, проведенные в Центре теоретической физики сложных систем Института фундаментальных наук в Южной Корее, могут изменить эту жесткую точку зрения. Исследователи изучили влияние различных диагностических схем, основанных на измерениях, на производительность квантового двигателя Отто. Кроме того, они открыли минимально инвазивный метод измерения, который сохраняет согласованность между циклами.

Исследователи использовали так называемую «схему повторяющихся контактов», где они записывают состояния двигателя с помощью вспомогательного датчика, а измерения датчика выполняются только в конце рабочих циклов двигателя. Это избавляет от необходимости многократно измерять двигатель после каждого такта и позволяет избежать нежелательных квантовых эффектов, вызванных измерением, таких как удаление любой когерентности, которая была создана во время цикла.

Сохранение согласованности на протяжении всего срока службы двигателя улучшило критически важные показатели производительности, такие как максимальная выходная мощность и надежность, что сделало двигатель более функциональным и надежным. По словам профессора Тингны, «это первый пример, в котором должным образом учтено влияние экспериментатора, который хочет знать, выполняет ли двигатель то, для чего он предназначен».

Охватывая широкий спектр различных режимов работы двигателей с рабочим телом, имеющим всего два квантовых состояния, исследователи обнаружили, что только для идеализированных циклов, которые выполняются бесконечно медленно, не имеет значения, какая схема мониторинга применяется. Но все двигатели, которые работают в течение конечного времени и, следовательно, представляют практический интерес, работают значительно лучше по своей выходной мощности и надежности, когда они контролируются по схеме повторяющихся контактов.

В целом исследователи пришли к выводу, что природа методов измерения может приблизить теорию к экспериментальным данным. Следовательно, жизненно важно учитывать эти факторы при мониторинге и тестировании квантовых тепловых двигателей. Это исследование было опубликовано в Physical Review X Quantum.