Warmtemotoren zijn apparaten die restwarmte gebruiken om mechanisch werk uit te voeren en stroom op te wekken. De uitvinding van warmtemotoren luidde 250 jaar geleden een tijdperk van de industriële revolutie in. De Otto-motor, die verschillende hitte- en werkslagen gebruikt, drijft bijna alle auto's aan en is een industriestandaard vanwege het relatief hoge vermogen en de efficiëntie. In een Otto-motor is een werkende substantie typisch een gas dat is opgesloten in een zuiger, die vier opeenvolgende slagen ondergaat:het wordt eerst samengeperst, vervolgens opgewarmd, geëxpandeerd en uiteindelijk afgekoeld tot de begintemperatuur.

Tegenwoordig brengen aanzienlijke vorderingen in nanofabricage kwantumwarmtemotoren in de schijnwerpers. Net als hun klassieke tegenhangers kunnen kwantumwarmtemotoren worden gebruikt in contexten die continu of cyclisch kunnen zijn. In tegenstelling tot klassieke motoren, die een macroscopische hoeveelheid van de werkende substantie gebruiken, heeft de werkende substantie van een kwantummotor uitgesproken kwantumkenmerken. De meest prominente hiervan is de discretie van de mogelijke energieën die het kan opnemen. Nog vreemder vanuit klassiek oogpunt is het feit dat een kwantumsysteem in twee of meer van zijn toegestane energieën tegelijkertijd kan bestaan. Deze eigenschap, die geen klassieke analoog heeft, staat bekend als kwantumcoherentie. Anders wordt een kwantum Otto-motor ook gekenmerkt door vier slagen zoals zijn klassieke tegenhanger.

Het bepalen van de prestatiestatistieken van de Quantum Otto-motor, zoals vermogen of efficiëntie, is de sleutel tot het verbeteren van het ontwerp en het afstemmen van beter werkende stoffen. Een directe diagnose van dergelijke meetwaarden vereist het meten van de energieën van de motor aan het begin en het einde van elke slag. Terwijl een klassieke motor slechts verwaarloosbaar wordt beïnvloed door metingen, veroorzaakt in kwantummotoren de handeling van de meting zelf een bizar meeteffect waarbij de kwantumtoestand van de motor ernstig wordt beïnvloed via de kwantummechanica. Het belangrijkste is dat elke samenhang in het systeem aan het einde van de cyclus volledig zou worden verwijderd door het meeteffect.

Lange tijd werd aangenomen dat deze vreemde, door metingen geïnduceerde effecten niet relevant zijn voor het begrip van kwantummotoren en daarom zijn verwaarloosd in de traditionele kwantumthermodynamica. Bovendien is er niet veel nagedacht over het ontwerp van monitoringprotocollen die een betrouwbare diagnose van de prestaties van de motor opleveren en deze minimaal wijzigen.

Nieuw baanbrekend onderzoek uitgevoerd door het Center for Theoretical Physics of Complex Systems binnen het Institute for Basic Science, Zuid-Korea, kan dit starre perspectief echter veranderen. De onderzoekers onderzochten de impact van verschillende op metingen gebaseerde diagnostische schema's op de prestaties van een quantum Otto-motor. Bovendien ontdekten ze een minimaal invasieve meetmethode die de samenhang tussen de cycli behoudt.

De onderzoekers gebruikten het zogenaamde herhaalde contacten-schema, waarbij ze de toestand van de motor registreren met behulp van een hulpsonde, en metingen van de sonde worden pas uitgevoerd aan het einde van de werkcycli van de motor. Dit omzeilt de noodzaak om de motor herhaaldelijk te meten na elke slag en vermijdt ongewenste door metingen veroorzaakte kwantumeffecten, zoals het verwijderen van enige coherentie die tijdens de cyclus is opgebouwd.

Het behoud van coherentie gedurende de hele levensduur van de motor verbeterde kritische prestatiestatistieken zoals het maximale vermogen en de betrouwbaarheid, waardoor de motor capabeler en betrouwbaarder werd. Prof. Thingna zegt:"Dit is het eerste voorbeeld waarin de invloed van een experimentator, die wil weten of de motor doet waarvoor hij is ontworpen, goed is overwogen."

De onderzoekers bestreken een breed spectrum van verschillende werkingsmodi van motoren met een werkende substantie met slechts twee kwantumtoestanden, en ontdekten dat voor geïdealiseerde cycli die oneindig langzaam werken, het geen verschil maakt welk monitoringschema wordt toegepast. Maar alle motoren die in eindige tijd draaien en dus van praktisch belang zijn, werken aanzienlijk beter voor hun vermogen en betrouwbaarheid wanneer ze worden gecontroleerd volgens het herhaalde contactschema.

Over het algemeen concludeerden de onderzoekers dat de aard van de meettechnieken de theorie dichter bij experimentele gegevens kan brengen. Daarom is het van vitaal belang om met deze factoren rekening te houden bij het monitoren en testen van kwantumwarmtemotoren. Dit onderzoek is gepubliceerd in de Physical Review X Quantum .