Впервые замечен рост мощности квантового двигателя

Международная команда исследователей впервые зарегистрировала рост мощности в квантовом двигателе. В недавно опубликованном исследовании ученые описали эксперименты с двигателем и свои открытия.

Схема, показывающая цикл квантового теплового двигателя. Верхняя сфера (оранжевая) на каждом изображении указывает состояние NV-центра в начале каждого цикла, которое является либо классическим (слева), либо квантовым (справа), в зависимости от того, является ли начальное состояние когерентным. Во время рабочего хода (желтая стрелка) NV-центр теряет энергию, обозначенную Δz. Потерянная энергия извлекается из NV-центра в качестве работы. Зеленый микроволновый импульс (зеленая стрелка) затем прикладывается к центру, соединяя его с двумя термальными ваннами — это действие восстанавливает начальное состояние системы. Затем цикл начинается снова.

В течение многих лет физики изучают квантовые тепловые двигатели: они работают аналогично классическим тепловым двигателям, но их «рабочая жидкость» (аналог пара в паровом двигателе) может находиться в когерентной суперпозиции (быть в нескольких состояниях одновременно). Поэтому многие ученые задаются вопросом: могут ли квантовые двигатели работать лучше, чем классические, с которыми мы сталкиваемся каждый день?

Всего четыре года назад команда из Еврейского университета в Иерусалиме утверждала, что нашла ответ, выдвинув теорию, согласно которой квантовые двигатели действительно могут быть более эффективными, чем классические. В новом исследовании ученые провели эксперименты, доказывающие правильность теории.

Для своих экспериментов исследователи построили квантовый тепловой двигатель, начав с азотно-замещенной вакансии (NV — nitrogen-vacancy) в центре алмаза (это один из многочисленных точечных дефектов алмаза: нарушение строения кристаллической решетки алмаза, возникающее при удалении атома углерода из узла решётки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота). Они предположили, что два его низших энергетических уровня представляют собой два уровня кубитов и в таком случае могут служить в качестве рабочей жидкости. Роль двух термальных ванн сыграли высшие энергетические уровни, то есть из них «выделялся пар», который совершал работу.

Исследователи поместили NV-центр в магнитное поле, что привело к развороту энергетических уровней, представляющих начальное состояние двигателя. Рабочий ход был вызван запуском микроволнового импульса в NV-центр, который заставил кубит вращаться под настраиваемым углом. Вращение кубита уменьшило энергию в NV-центре, ее и извлекла команда. Затем исследователи стали светить зеленым лазером в NV-центр, заставив уровни кубитов соединиться с термальными ваннами, что привело к возвращению центров в их начальное состояние.

Исследователи повторили эксперимент 100 тысяч раз, меняя продолжительность цикла. Они утверждают, что для малых углов поворота кубита выходная мощность была намного выше, чем для двигателя того же типа без когерентности, и что это доказывает большую эффективность квантового двигателя.

Источник: Phys.org