Тепловые двигатели работают по одному принципу уже три столетия: разница температур между горячим и холодным резервуаром преобразуется в работу. Паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, тепловая электростанция — всё это одна и та же идея в разных масштабах. Квантовая механика задаёт вопрос: работают ли те же принципы, когда «рабочее тело» сжимается до нескольких атомов или даже двух ионов?
Именно этот вопрос исследовала группа учёных, опубликовавшая результаты эксперимента в Physical Review Letters. Предварительный вариант работы доступен на arxiv. Цель была не построить двигатель для промышленного применения, а проверить, как фундаментальные принципы термодинамики проявляются в квантовой системе, и уточнить роль квантовой запутанности в этом процессе.
Что такое «рабочее тело» в квантовом двигателе
В классическом тепловом двигателе рабочим телом служит газ или пар — огромное число молекул. В описанном эксперименте его роль выполняют два иона, удерживаемых в гармоническом потенциале ловушки Пауля. Ловушка создаёт электрическое поле, которое не позволяет ионам разлететься, фиксируя их в определённых квантовых состояниях.
Ионы взаимодействуют через общие колебательные моды — это колебания, которые два заряженных атома совершают совместно, как связанные шарики на пружинах. Одна из этих мод служит «квантовой нагрузкой» — аналогом вала, на который передаётся полезная работа. Вторая мода используется как канал связи между ионами: через неё исследователи создают запутанность.
Цикл и подвод энергии
Квантовый двигатель, в отличие от вечного двигателя, не создаёт энергию из ничего. Энергия поступает в систему через лазерное излучение — именно лазеры управляют квантовыми состояниями ионов, переводя их между уровнями энергии в ходе цикла.
Цикл устроен так: состояние ионов меняют лазерными импульсами, переводя рабочее тело из одного квантового состояния в другое. По аналогии с классическим термодинамическим циклом здесь есть этапы «нагрева» и «охлаждения» — только они реализуются не через теплообмен с резервуаром, а через управляемые лазерные воздействия. Результат цикла измеряется как изменение числа фононов — квантов колебательной энергии — в нагрузочной моде.
Именно это изменение числа фононов и есть «полезная работа» в квантовом смысле: максимально извлекаемая из нагрузки энергия. Физики называют её эргатропией.
Роль квантовой запутанности
Центральный вопрос эксперимента: влияет ли запутанность двух ионов на то, сколько полезной работы производит двигатель? Авторы варьировали степень запутанности — насколько сильно квантовые состояния двух ионов скоррелированы, — и измеряли изменение запасённой в нагрузке работы.
Результат: чем выше запутанность, тем больше полезной работы накапливается в нагрузочной моде. При этом коэффициент преобразования энергии — КПД — от запутанности не зависит. То есть запутанность увеличивает извлекаемую полезную работу, но не делает двигатель более эффективным в смысле КПД.
Авторы работы описывают это так: запутанность «заряжает» полезную работу в нагрузке, но не улучшает соотношение между вложенной и извлечённой энергией.
Важно понять, что здесь имеется в виду. Запутанность — это не источник энергии. Вся энергия поступает от лазеров. Запутанность — квантовая корреляция между состояниями ионов, которая влияет на то, как эта энергия распределяется и накапливается в системе. Приравнивать её к топливу или источнику «бесплатной» энергии — принципиальная ошибка.
Масштаб, условия и научная цель
Два иона в ловушке при криогенных температурах — это несопоставимо с автомобильным двигателем или электростанцией. Там тепловая мощность измеряется в киловаттах, температуры — в сотнях градусов, а рабочее тело содержит триллионы триллионов молекул. Здесь же речь о фемтоджоульных или даже меньших масштабах энергии, единичных квантах колебаний, и условиях, требующих сверхтонкого контроля над каждым квантовым состоянием системы.
Цель эксперимента — не энергетика, а проверка фундаментальных принципов. Квантовая термодинамика исследует, как второй закон термодинамики, понятие работы и тепла работают на уровне, где квантовые эффекты нельзя игнорировать. Стандартные определения работы и тепла, сформулированные для макроскопических систем, при переходе к нескольким квантовым частицам требуют переосмысления.
Эксперимент также имеет отношение к исследованиям квантовых батарей — устройств, которые теоретически могут хранить и отдавать энергию с использованием квантовых эффектов. Один из ключевых параметров квантовой батареи — максимально извлекаемая работа, то есть та же эргатропия, которую измеряли в эксперименте.
Чем квантовый двигатель отличается от классического
Несколько принципиальных отличий стоит выделить явно.
Классический двигатель работает непрерывно и автономно: горючее сгорает, вал вращается, машина едет. Описанная квантовая система не способна на непрерывную автономную работу: каждый цикл требует тщательно выверенного лазерного управления.
В классическом двигателе «рабочее тело» — газ — термически взаимодействует с двумя резервуарами. В квантовом эксперименте аналоги горячего и холодного резервуаров имитируются лазерными операциями с конкретными квантовыми уровнями.
Запутанность не имеет аналога в классической термодинамике. Это чисто квантовое явление, и именно его влияние на термодинамические характеристики системы и стремились зафиксировать авторы — впервые с количественными экспериментальными данными.
Практическое применение квантовых двигателей в энергетике — дело неопределённого будущего, если вообще возможное. Нынешние эксперименты — это фундаментальная наука, которая уточняет наше понимание того, где проходит граница между квантовым и классическим описанием мира.
Читайте также: Ученые впервые сфотографировали фундаментальное явление квантовой физики, которое пугало Эйнштейна