Tutkijat etsivät kvanttitermodynaamista etua energian keruussa

Tarkoista mittauksista nopeisiin laskelmiin, kvanttiteknologioiden mahdolliset edut ovat sekä houkuttelevia että vaikeasti saavutettavia, kun tiedemiehet pyrkivät saavuttamaan parhaat mahdolliset tulokset.

Los Alamos laboratorion uudessa työssä tutkijat ovat löytäneet uudenlaisen kvanttiedun energian erottamiseen. Menetelmä on edelleen termodynamiikan lakien mukainen.

Kvanttifysiikkaan perustuva järjestelmä voisi saada käyttöönsä paljon enemmän energiaa hyödyllisen työn suorittamiseen kuin klassiset menetelmät sallivat.

Avainkysymys on kvanttikorrelaatioiden hyödyntämisen ymmärtäminen.

Päästäkseen tähän johtopäätökseen Los Alamosin kansallisen laboratorion tutkijat ja yhteistyökumppanit hyödynsivät "kvanttiohjattavuutta" – ilmiötä, jossa yhteen lomittuneen järjestelmän osaan kohdistuvat toiminnot vaikuttavat toisen osan tilaan tai ohjaavat sitä, vaikka osat olisivat täysin erillään.

Tiimin teoreettinen tutkimus osoittaa selkeän kvanttitermodynaamisen edun hyödyllisen energian uuttamisessa, mikä viittaa tehokkuushyötyihin tulevaisuuden kvanttilaskentateknologioissa.

Miksi tällä on merkitystä: 1800-luvulta lähtien termodynamiikka – energian ja entropian virtojen tutkimus – on auttanut insinöörejä suunnittelemaan tehokkaita höyrykoneita, akkuja, jääkaappeja ja paljon muuta.

Kvanttitermodynamiikka keskittyy energian ja entropian virtoihin mikroskooppisessa tilassa, ja sillä voi olla merkitystä lämpömoottoreille, jäähdytysprotokollille ja kvanttiakuille.

Miten he tekivät sen: Termodynamiikassa "työ" määritellään energiaksi, jota voidaan käyttää muiden prosessien ohjaamiseen (esim. mikroaaltouunin tai auton toimintojen tuottamiseen). Ymmärtääkseen, kuinka paljon työtä eli hyödyllistä energiaa voidaan saada kvanttijärjestelmistä, tiimi suunnitteli tehtäviä kahden agentin, Alicen ja Bobin, suoritettavaksi ja vertasi klassisten ja kvanttiskenaarioiden suurinta uutettavissa olevaa energiaa.

Kvantti-ilmiöiden teoreettisessa tutkimuksessa Bobin ja Alicen tehtävänä on poimia energiaa järjestelmästä ja kommunikoida samalla. Kun he hyödyntävät kvanttikorrelaatioita, he voivat poimia järjestelmästä paljon enemmän energiaa kuin millään klassisella menetelmällä.

 Löytö osoittaa, että ohjattavia kvanttikorrelaatioita käyttävä järjestelmä voi ottaa talteen huomattavasti enemmän energiaa kuin jos korrelaatiot olisivat klassisia. Tiimin mitattavissa oleva tulos on osoitus kvanttitermodynaamisesta edusta, kvanttijärjestelmien kyvystä ylittää klassiset järjestelmät.

Ohjattavien korrelaatioiden roolin jatkotutkimus voisi johtaa kokeisiin, jotka osoittavat tehokkaan energian talteenoton hyödyntämällä kvanttiominaisuuksia.

Aiheesta aiemmin:

Työ ja lämpö kvanttijärjestelmissä

Yksisuuntaisen lämpövirran tuottaminen kvanttitasolla

Kvanttilämpöä ja kvanttilomittumista mittaillen