Värmemotorer är enheter som använder spillvärme för att utföra mekaniskt arbete och generera kraft. Uppfinningen av värmemotorer inledde en era av den industriella revolutionen för 250 år sedan. Otto-motorn, som använder distinkta värme- och arbetsslag, driver nästan alla bilar och är en industristandard på grund av sin relativt höga effekt och effektivitet. I en Otto-motor är en arbetssubstans vanligtvis en gas som är begränsad till en kolv, som genomgår fyra efterföljande slag:Den komprimeras först, värms sedan upp, expanderas och kyls slutligen ner till sin ursprungliga temperatur.

Idag tar betydande framsteg inom nanotillverkning kvantvärmemotorer fram i rampljuset. Liksom sina klassiska motsvarigheter kan kvantvärmemotorer användas i sammanhang som kan vara kontinuerliga eller cykliska. Till skillnad från klassiska motorer, som använder en makroskopisk mängd av arbetssubstansen, har arbetssubstansen i en kvantmotor uttalade kvantegenskaper. Den mest framträdande av dessa är diskretheten hos de möjliga energier den kan ta. Ännu mer besynnerligt ur klassisk synvinkel är det faktum att ett kvantsystem kan existera i två eller flera av dess tillåtna energier samtidigt. Denna egenskap, som inte har någon klassisk analog, är känd som kvantkoherens. Annars kännetecknas en quantum Otto-motor också av fyrtaktsmotorer som sin klassiska motsvarighet.

Att bestämma quantum Otto-motorns prestandamått, såsom effekt eller effektivitet, är nyckeln till att förbättra designen och skräddarsy bättre arbetsämnen. En direkt diagnos av sådana mätvärden kräver att man mäter motorns energi i början och slutet av varje slag. Medan en klassisk motor bara påverkas försumbart av mätningar, i kvantmotorer, orsakar själva mätningen en bisarr mäteffekt där motorns kvanttillstånd påverkas allvarligt via kvantmekaniken. Det viktigaste är att all koherens i systemet i slutet av cykeln skulle tas bort helt av mäteffekten.

Man har länge trott att dessa konstiga mätinducerade effekter är irrelevanta för förståelsen av kvantmotorer och därför har försummats i traditionell kvanttermodynamik. Dessutom har man inte lagt ner mycket tanke på utformningen av övervakningsprotokoll som ger en tillförlitlig diagnos av motorns prestanda samtidigt som den minimalt förändras.

Ny genombrottsforskning utförd vid Center for Theoretical Physics of Complex Systems inom Institutet för grundläggande vetenskap, Sydkorea, kan dock förändra detta stela perspektiv. Forskarna undersökte effekten av olika mätbaserade diagnostiska system på prestandan hos en kvant-Oto-motor. Dessutom upptäckte de en minimalt invasiv mätmetod som bevarar koherens över cyklerna.

Forskarna använde det så kallade upprepade kontaktschemat, där de registrerar motorns tillstånd med hjälp av en hjälpsond, och mätningar av sonden utförs endast i slutet av motorns arbetscykler. Detta kringgår behovet av att mäta motorn upprepade gånger efter varje slag och undviker oönskade mätinducerade kvanteffekter som att ta bort all koherens som byggts upp under cykeln.

Bevarandet av koherens under motorns livslängd förbättrade kritiska prestandamått som maximal effekt och tillförlitlighet, vilket gjorde motorn mer kapabel och pålitlig. Prof. Thingna säger, "Detta är det första exemplet där inflytandet från en experimentator, som vill veta om motorn gör vad den är designad för att göra, har övervägts ordentligt."

Genom att täcka ett brett spektrum av olika arbetssätt för motorer med en fungerande substans som bara har två kvanttillstånd, fann forskarna att för idealiserade cykler som presterar oändligt långsamt, spelar det ingen roll vilket övervakningsschema som används. Men alla motorer som går i begränsad tid och därför är av praktiskt intresse, fungerar betydligt bättre för sin effekt och tillförlitlighet när de övervakas enligt det upprepade kontaktschemat.

Sammantaget drog forskarna slutsatsen att arten av mätteknikerna kan föra teori närmare experimentella data. Därför är det viktigt att ta hänsyn till dessa faktorer vid övervakning och testning av kvantvärmemotorer. Denna forskning publicerades i Physical Review X Quantum .