Законите на термодинамиката гласят, че топлината естествено преминава от по-топли системи или региони към по-студени системи или региони, докато се достигне състояние на термично равновесие. Този прост принцип е в основата на работата на множество технологии, вариращи от хладилници до електроцентрали.
И все пак квантовите системи, които се управляват от квантовата механика, могат да проявяват необичайно поведение, което не може да бъде обяснено от класическата физика. Това поведение би могло да се използва за създаване на иновативни термични устройства.
Изследователи от Нормалния университет Цюфу, Университета в Хонконг и Университета в Палермо наскоро са наблюдавали аномален термичен ефект, който позволява на квантова система да абсорбира топлина от по-студени термични резервоари. Този необичаен ефект, описан в статия в Physical Review Letters, е използван за разработването на нов квантов топлинен двигател, който едновременно произвежда работа (т.е. механична енергия, създадена чрез преобразуване на топлината в движение или мощност) и охлаждане.
"Неопределеният причинно-следствен ред (ICO) позволява две събития да се случат в суперпозиция на подредбата на процесите", обяснява пред Phys.org Джун-Сяо Ман (Zhong-Xiao Man), съавтор на статията.
"В квантовата термодинамика тези събития се моделират като канали за термализация, действащи върху системата чрез контролен кубит, създавайки неопределен ред. Предишна работа показа, че дори при идентични температури на каналите, системата не е необходимо да се уравновеси до тази температура – поразително отклонение от стандартната термодинамика. Мотивирани от това, ние се запитахме: Какво се случва с топлинния поток, когато системата и каналите започват при различни температури?"
Проектиране на квантов двигател с необичайно предимство
Надграждайки върху по-ранни изследвания, Ман и колегите му се заемат да изследват какво се случва с топлината, когато квантова система взаимодейства с два термични резервоара. Това ги накара теоретично да предскажат и експериментално да демонстрират аномален обратен поток, при който квантова система абсорбира топлина от по-студени термични резервоари.
Впоследствие изследователите проектират нов квантов двигател на Ото – устройство, което преобразува топлината в полезна работа. За разлика от конвенционалните двигатели на Ото обаче, разработеното от тях устройство може едновременно да произвежда работа и да охлажда друга система.
"Експериментално реализирахме както аномалния поток, така и двигателя на фотонна платформа, получавайки резултати, които напълно потвърждават нашите теоретични прогнози", обяснява Ман.
"Ключовата идея зад нашата статия е, че в квантовия свят два термични процеса могат да се случат в суперпозиция от различна подредба. Това създава необичаен топлинен поток, позволяващ на двигателя да черпи енергия от по-студената среда по начин, който не би бил възможен класически."
Новоразработеният квантов топлинен двигател използва необичайния топлинен поток, за да задейства квантов цикъл на Ото, който едновременно генерира полезна работа и осигурява охлаждане. Това е забележително постижение, тъй като за осъществяването на двете функционалности обикновено би било необходимо две отделни и много различни устройства.
"Първо, идентифицирахме нова форма на аномален топлинен поток, показвайки, че квантовата кохерентност може фундаментално да промени начина, по който се обменя топлина между системите", посочва съавторът на статията Джулио Чирибела (Giulio Chiribella).
"Второ, ние предоставихме пълна теоретична и експериментална демонстрация на тези неконвенционални термодинамични ефекти във фотонна платформа, доближавайки това, което до голяма степен бе теоретична концепция, до физическата реализация. Трето, изяснихме важен фундаментален въпрос, като доказахме, че тези ефекти не са изключителни сигнатури на неопределен причинно-следствен ред, а могат да бъдат възпроизведени и в рамките на определена причинно-следствена структура."
Възможни приложения и бъдещи изследователски насоки
В бъдещ концепцията за аномалния топлинен поток, за който се докладва, би могло да бъде използван за разработване на други обещаващи квантови технологии, които манипулират топлината и енергията по фундаментално нови начини. Въпреки че двигателят, представен в неотдавнашната статия, все още е само доказателство за принципа, той потенциално би могъл да отвори нови пътища за охлаждане на квантови процесори и управление на топлината в квантови сензори, технологии за изображения или наномащабни устройства.
"Една област за бъдещи изследвания е да се премине отвъд идеализираните термодинамични цикли и да се изследват по-практични реализации, при които всички операции се извършват в ограничено време", добавя съавторът на статията Росарио Ло Франко (Rosario Lo Franco).
"В практическите устройства скоростта е от значение, защото определя не само ефективността, но и изходната мощност. Последните теоретични изследвания показват, че измерванията и контролните операции с ограничено време могат да въведат фундаментални компромиси между енергийните разходи, информационния добив и производителността и бихме искали да разберем как тези ограничения влияят на типа двигател, предложен в нашата работа."
Справка: Qing-Feng Xue et al, Anomalous Heat Flows and Quantum Otto Engine with (In)definite Causal Order, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/sx1m-pdhz. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2511.04028
Източник: A quantum heat engine that simultaneously provides work and refrigeration, Ingrid Fadelli, Phys.org
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
БотоксПутю
В скална формация на Марс е открит органичен въглерод
Прост Човек
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Прост Човек
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Прост Човек
Последната теорема на Стивън Хокинг преобръща времето и причинността