Останніми роками квантова технологія привертає багато уваги завдяки комп’ютерам, які використовують властивості атомів, жорстким дискам, які зберігають інформацію в незвичайних станах, а тепер і механізмам, які виходять зі старих правил. Ці дивні двигуни не покладаються ні на спалювання, ні на тепло. Натомість вони отримують поштовх від незвичайної поведінки крихітних частинок.
Квантова механіка закладає основу для всього цього. Він стосується не великих об’єктів, а того, що відбувається в найменших масштабах. Він розглядає атоми, молекули та субатомні частинки матерії, які не відповідають повсякденним правилам. Це викликало нові гаджети, які вирішують проблеми, про які ми навіть не підозрювали, що їх можна вирішити.
Стаття, що описує ці результати, написана в співавторстві дослідниками Керті Менон, доктором Елоїзою Куестас, доктором Томасом Фогарті та професором Томасом Бушем і була опублікована в журналі Nature.
Скромне походження квантового двигуна
Вчені з Окінавського науково-технічного інституту (OIST), працюючи з командами з Університету Кайзерслаутерн-Ландау та Університету Штутгарта, розробили двигун, який не імітує шумні машини під капотом автомобіля. Вони вибрали трюк із квантової п’єси: використання заплутаності.
Квантова заплутаність спантеличила вчених протягом десятиліть. Альберт Айнштайн якось назвав це «моторошна дія на відстані». У звичайному житті ніщо не рухається швидше за світло. Проте заплутані частинки з’єднуються так, що те, що відбувається з однією, здається, миттєво впливає на іншу, навіть якщо вони знаходяться далеко одна від одної.
Частинки, які порушують правила
У звичайних машинах поршень рухається, коли гарячі гази розширюються. У квантовому двигуні рух відбувається через зміну поведінки частинок. Не всі частинки однакові. Одні належать до групи, яка називається бозонами, інші — до групи, яка називається ферміонами. При дуже низьких температурах бозони переходять у стани з меншою енергією, ніж ферміони.
Ця різниця в енергії виявляється ключовою. Замість вогню та тепла, зміна бозонів на ферміони та назад може створити роботу. У цій конструкції частинки проходять через зміни свого квантового характеру, і ця властивість зсуву запускає механізм.
«Щоб перетворити ферміони на бозони, ви можете взяти два ферміони та об’єднати їх у молекулу. Ця нова молекула є бозоном», — пояснив професор Томас Буш, керівник підрозділу квантових систем. «Це розбиття дозволяє нам знову отримати ферміони. Роблячи це циклічно, ми можемо живити двигун без використання тепла»,
Енергія без спалювання нічого
Нормальний двигун запалює паливо. Квантовий двигун уникає цього кроку. Він перемикає типи частинок і використовує результуючу різницю енергії. Хоча цей тип двигуна працює лише у квантовому режимі, команда виявила, що його ККД досить високий і може сягати до 25% за допомогою нинішньої експериментальної установки, створеної співробітниками в Німеччині.
Ці результати показують, що квантові ефекти — це не просто хрестоматійні дивацтва. Вони можуть зробити щось корисне, принаймні в контрольованих лабораторних умовах. Тим не менш, усі учасники знають, що реальні програми не за горами.
«Хоча ці системи можуть бути високоефективними, ми провели лише перевірку концепції разом із нашими експериментальними колегами», — пояснила Кірті Менон. «Є ще багато проблем у створенні корисного квантового двигуна».
Квантовий двигун зберігає охолодження
Квантові пристрої, як відомо, вибагливі. Тепло руйнує делікатні умови, необхідні для роботи. Будь-який незначний перепад температури може вивести систему з ладу. Щоб він був стабільним, вчені повинні все охолодити. Це саме по собі вимагає серйозних зусиль і енергії. Уникнення тепла всередині двигуна означає створення максимально спокійного та холодного середовища.
Це дослідження рухається в напрямку, який може допомогти людям по-іншому думати про те, як видобувати енергію з матеріалів. Замість того, щоб покладатися на старомодні методи, він заохочує переосмислити природу того, що таке енергія, і те, як її можна отримати з її джерела, не потребуючи іскри полум’я.
Що буде далі?
Це лише початок. Дослідники планують просуватися вперед, ставлячи складні питання про те, як двигун працює на найпростішому рівні. Вони сподіваються побачити, як його можна підключити до інших пристроїв, таких як крихітні батареї чи точні датчики. Залишилося багато частин, які потрібно зібрати, але основна ідея відкрита. Квантовий світ пропонує поведінку, яка не проявляється у звичайному житті. Якщо вчені зможуть підтримувати ці частинки стабільними, контролювати їхні стани та рухати їх через розумні цикли, тоді може виникнути цілий новий клас двигунів.
Поточні дослідження ніколи не натякають на заміну стандартних автомобільних двигунів найближчим часом. Річ не у тому, щоб наші вантажівки та автобуси керували квантовими ефектами. Це зрозуміти, що можливо. Для тих, хто цікавиться тим, куди може призвести квантова технологія, це натяк на те, що попереду може бути більше сюрпризів.
Вікно в дивний світ
Колись квантова механіка здавалася надто дивною, щоб стати корисною. Тепер він живить комп’ютери, які вирішують проблеми зі швидкістю, про яку ми навіть не могли мріяти, і встановлює канали зв’язку, які можуть бути надто безпечними для будь-якого хакера.
Додавання двигунів до цього списку, навіть якщо вони залишаються в лабораторії, змінює наше уявлення про те, як може працювати технологія. Зараз не йдеться про те, щоб зробити машину кращою за автомобільний двигун. Йдеться про те, щоб побачити, що є інший шлях. Не спалюючи палива чи не покладаючись на гарячі гази, частинки на найдрібніших рівнях мають власну енергію.
Перетворюючи ферміони на бозони і назад, дослідники показали, що сама зміна може привести в дію крихітний ефективний двигун. Цей маленький крок є ще одним прикладом того, як квантова фізика може показати нам несподівані можливості. Повний текст дослідження опубліковано в журналі Nature.