(Phys.org)—Het is bekend dat Quantum-engines anders werken dan - en in sommige gevallen beter presteren dan hun klassieke tegenhangers. Echter, eerder onderzoek naar de prestaties van kwantummotoren overschat mogelijk hun voordelen. In een nieuwe studie, natuurkundigen hebben een verbeterde methode ontwikkeld om de efficiëntie van kwantummotoren te berekenen. Ze laten zien dat de uiteindelijke efficiëntie van kwantumsystemen onderhevig is aan strengere fundamentele limieten dan die opgelegd door de tweede wet van de thermodynamica, die de efficiëntie van klassieke systemen regelt.

Natuurkundigen Obinna Abah en Eric Lutz van de Friedrich-Alexander Universiteit Erlangen-Nürnberg in Duitsland hebben een artikel gepubliceerd over de energiezuinige kwantummachines in een recent nummer van EPL . Abah is momenteel een Royal Commission for the Exhibition of 1851 research fellow aan de Queen's University in Belfast, VK.

De prestaties van elke soort motor, kwantum of klassiek, worden grotendeels bepaald door de energie-efficiëntie (de verhouding tussen de energie-output en de energie-input) en het vermogen (de snelheid van de energie-output in een bepaalde tijd). Conventionele thermodynamica legt een afweging op tussen de efficiëntie van een motor en zijn vermogen - wat betekent dat wanneer u er een verhoogt, de ander neemt af. Voor kwantummotoren, echter, het is mogelijk om zowel het rendement als het vermogen tegelijkertijd te verhogen. Dit betekent dat, met de juiste methoden, kwantummotoren kunnen mogelijk meer energie produceren uit een bepaalde hoeveelheid energie, en doe dit in een sneller tempo dan voor de verbetering.

Sommige van de methoden die de gelijktijdige toename van efficiëntie en vermogen mogelijk maken, worden "shortcut-to-adiabaticity"-technieken genoemd. Adiabatische transformaties zijn zeer wenselijk omdat ze weinig energie dissiperen, die de efficiëntie van het systeem verhoogt en de dynamiek van het systeem versnelt, waardoor het vermogen van het systeem toeneemt. Zoals hun naam al aangeeft, snelkoppelingen naar adiabaticiteit stellen kwantummachines in staat om adiabatische operaties na te bootsen in een veel kortere tijd dan mogelijk is met echte adiabatische transformaties, die oneindig traag zijn.

Hoewel eerder onderzoek de voordelen heeft aangetoond van snelkoppelingen naar adiabaticiteit voor het verbeteren van de prestaties van warmtemotoren, deze methoden houden doorgaans geen rekening met de energiekosten van het snelkoppelingsprotocol bij het berekenen van de uiteindelijke efficiëntie van het systeem. Als resultaat, de efficiëntieverbeteringen als gevolg van snelkoppelingen naar adiabaticiteit lijken gratis te zijn, hun effecten overdrijven.

In de nieuwe studie Abah en Lutz ontwikkelden een methode voor het evalueren van de prestaties van een systeem dat rekening houdt met de energiekosten van deze snelkoppelingen. Hun resultaten laten zien dat snelkoppelingen naar adiabaticiteit de prestaties van een systeem alleen verbeteren als de snelkoppeling snel genoeg is, aangezien snellere snelkoppelingen lagere energiekosten hebben. Anderzijds, zeer trage snelkoppelingsprotocollen hebben hogere energiekosten die de potentiële energiewinst kunnen overtreffen.

"Ons werk toont aan dat een hogere efficiëntie en een hoger vermogen tegelijkertijd kunnen worden bereikt met behulp van snelkoppelingen naar adiabatische methoden, zelfs wanneer rekening wordt gehouden met de energetische kosten van de snelkoppeling, "Abah vertelde" Phys.org .

De natuurkundigen toonden ook aan dat er een fundamentele grens is aan de efficiëntie van een kwantummotor, het maakt niet uit wat voor soort snelkoppelingen naar adiabaticiteit het gebruikt. Verrassend genoeg, de limieten op een kwantummotor zijn strenger dan de limieten opgelegd door de tweede wet van de thermodynamica, die de ultieme grenzen stelt aan de efficiëntie van klassieke motoren.

Zoals de natuurkundigen uitleggen, de reden voor de strakkere grenzen aan kwantummotoren is omdat de klassieke mechanica geen beperkingen oplegt aan de snelheid van een proces, overwegende dat de kwantummechanica wel snelheidsbeperkingen heeft, die worden gegeven door "kwantumsnelheidslimieten." De wetenschappers zijn van plan verschillende snelkoppelingsmethoden te vergelijken om te bepalen welke leidt tot de meest energiezuinige machine. Het begrijpen van kwantumsnelheidslimieten en hun fundamentele beperkingen op kwantumsystemen is essentieel voor het ontwerpen van toekomstige kwantummotoren.

"De komst van miniaturisatie zal onvermijdelijk leiden tot machines die zo klein zijn dat hun dynamiek over het algemeen de wetten van de kwantummechanica zal gehoorzamen in plaats van die van de klassieke mechanica, "Abah zei. "Hun eigenschappen zullen dan worden bepaald door de kwantumthermodynamica."

© 2017 Fys.org