(Phys.org)—Quantummotorer är kända för att fungera annorlunda än—och i vissa fall, överträffa – deras klassiska motsvarigheter. Dock, tidigare forskning om prestanda hos kvantmotorer kan överskatta deras fördelar. I en ny studie, fysiker har utvecklat en förbättrad metod för att beräkna effektiviteten hos kvantmotorer. De visar att den ultimata effektiviteten av kvantsystem är föremål för snävare grundläggande gränser än de som åläggs av termodynamikens andra lag, som styr effektiviteten hos klassiska system.

Fysikerna Obinna Abah och Eric Lutz vid Friedrich-Alexander-universitetet Erlangen-Nürnberg i Tyskland har publicerat en artikel om energieffektiva kvantmaskiner i ett färskt nummer av EPL . Abah är för närvarande en kunglig kommission för utställningen av 1851 års forskare vid Queen's University i Belfast, STORBRITANNIEN.

Prestandan hos vilken typ av motor som helst – kvant eller klassisk – bestäms till stor del av dess energieffektivitet (förhållandet mellan energiuttag och energitillförsel) och dess effekt (takten av energiuttag under en given tid). Konventionell termodynamik innebär en avvägning mellan en motors effektivitet och dess effekt – vilket betyder att när du ökar en, den andra minskar. För kvantmotorer, dock, det är möjligt att öka både effektiviteten och effekten samtidigt. Detta innebär att, med rätt metoder, kvantmotorer kan potentiellt producera mer energi från en given mängd energitillförsel, och gör det i en snabbare takt än före förbättringen.

Några av metoderna som möjliggör en samtidig ökning av effektivitet och kraft kallas "genväg-till-adiabaticitet"-tekniker. Adiabatiska transformationer är mycket önskvärda eftersom de försvinner lite energi, vilket ökar systemets effektivitet och påskyndar systemets dynamik, vilket ökar systemets effektuttag. Som deras namn antyder, genvägar till adiabaticitet tillåter kvantmaskiner att efterlikna adiabatisk drift på mycket kortare tid än vad som är möjligt med äkta adiabatiska transformationer, som är oändligt långsamma.

Även om tidigare forskning har visat fördelarna med genvägar till adiabaticitet för att förbättra prestanda hos värmemotorer, dessa metoder tar vanligtvis inte hänsyn till energikostnaden för genvägsprotokollet vid beräkning av systemets slutliga effektivitet. Som ett resultat, effektivitetsförbättringarna på grund av genvägar till adiabaticitet verkar vara gratis, överdriva deras effekter.

I den nya studien, Abah och Lutz utvecklade en metod för att utvärdera prestandan hos ett system som står för energikostnaden för dessa genvägar. Deras resultat visar att genvägar till adiabaticitet bara förbättrar ett systems prestanda om genvägen är tillräckligt snabb, eftersom snabbare genvägar har lägre energikostnader. Å andra sidan, mycket långsamma genvägsprotokoll har högre energikostnader som kan överstiga eventuella energivinster.

"Vårt arbete visar att högre effektivitet och högre effekt kan uppnås samtidigt med hjälp av genväg-till-adiabatikmetoder, även när den energiska kostnaden för genvägen beaktas, " berättade Abah Phys.org .

Fysikerna visade också att det finns en grundläggande gräns för effektiviteten hos någon kvantmotor, oavsett vilken typ av genvägar till adiabaticitet den använder. Förvånande, gränserna för en kvantmotor är strängare än gränserna som sätts av termodynamikens andra lag, som sätter de yttersta gränserna för effektiviteten hos klassiska motorer.

Som fysikerna förklarar, Anledningen till de snävare gränserna för kvantmotorer är att klassisk mekanik inte sätter begränsningar för hastigheten på en process, medan kvantmekaniken har hastighetsbegränsningar, som ges av "kvanthastighetsgränser". Forskarna planerar att jämföra olika genvägsmetoder för att avgöra vilken som leder till den mest energieffektiva maskinen. Att förstå kvanthastighetsgränser och deras grundläggande begränsningar för kvantsystem är avgörande för att designa framtida kvantmotorer.

"Miniatyriseringens tillkomst kommer oundvikligen att leda till maskiner som är så små att deras dynamik i allmänhet kommer att lyda kvantmekanikens lagar istället för den klassiska mekanikens, " sade Abah. "Deras egenskaper kommer då att styras av kvanttermodynamik."

© 2017 Phys.org