(Phys.org)—Les moteurs quantiques sont connus pour fonctionner différemment de—et dans certains cas, surpassent leurs homologues classiques. Cependant, des recherches antérieures sur les performances des moteurs quantiques pourraient surestimer leurs avantages. Dans une nouvelle étude, les physiciens ont développé une méthode améliorée pour calculer l'efficacité des moteurs quantiques. Ils montrent que l'efficacité ultime des systèmes quantiques est soumise à des limites fondamentales plus strictes que celles imposées par la deuxième loi de la thermodynamique, qui régit l'efficacité des systèmes classiques.

Les physiciens Obinna Abah et Eric Lutz de l'université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nürnberg en Allemagne ont publié un article sur les machines quantiques à haut rendement énergétique dans un récent numéro de LPE . Abah est actuellement membre de la Commission royale pour l'exposition de 1851 chercheur à l'Université Queen's de Belfast, ROYAUME-UNI.

Les performances de tout type de moteur, quantique ou classique, sont largement déterminées par son efficacité énergétique (le rapport de la production d'énergie à l'entrée d'énergie) et sa puissance (le taux de production d'énergie dans un temps donné). La thermodynamique conventionnelle impose un compromis entre l'efficacité d'un moteur et sa puissance, c'est-à-dire lorsque vous en augmentez un, l'autre diminue. Pour les moteurs quantiques, cependant, il est possible d'augmenter à la fois l'efficacité et la puissance. Cela signifie que, avec les bonnes méthodes, les moteurs quantiques peuvent potentiellement produire plus d'énergie à partir d'une quantité d'énergie donnée, et le faire à un rythme plus rapide qu'avant l'amélioration.

Certaines des méthodes qui permettent l'augmentation simultanée de l'efficacité et de la puissance sont appelées techniques de "raccourci vers l'adiabaticité". Les transformations adiabatiques sont hautement souhaitables car elles dissipent peu d'énergie, ce qui augmente l'efficacité du système et accélère la dynamique du système, ce qui augmente la puissance de sortie du système. Comme leur nom l'indique, les raccourcis vers l'adiabaticité permettent aux machines quantiques d'imiter le fonctionnement adiabatique dans un temps beaucoup plus court que ce qui est possible en utilisant de véritables transformations adiabatiques, qui sont infiniment lents.

Bien que des recherches antérieures aient démontré les avantages des raccourcis vers l'adiabaticité pour améliorer les performances des moteurs thermiques, ces méthodes ne prennent généralement pas en compte le coût énergétique du protocole de raccourci lors du calcul de l'efficacité finale du système. Par conséquent, les gains d'efficacité dus aux raccourcis vers l'adiabaticité semblent être gratuits, exagérant leurs effets.

Dans la nouvelle étude, Abah et Lutz ont développé une méthode d'évaluation des performances d'un système qui prend en compte le coût énergétique de ces raccourcis. Leurs résultats montrent que les raccourcis vers l'adiabaticité n'améliorent les performances d'un système que si le raccourci est suffisamment rapide, puisque les raccourcis plus rapides ont des coûts énergétiques inférieurs. D'autre part, les protocoles de raccourci très lents ont des coûts énergétiques plus élevés qui peuvent dépasser les gains énergétiques potentiels.

"Nos travaux montrent qu'un rendement plus élevé et une puissance plus élevée peuvent être atteints en même temps à l'aide de méthodes de raccourci vers l'adiabatie, même en tenant compte du coût énergétique du raccourci, " Abah a dit Phys.org .

Les physiciens ont également montré qu'il existe une limite fondamentale à l'efficacité de tout moteur quantique, quel que soit le type de raccourcis vers l'adiabaticité qu'il utilise. Étonnamment, les limites sur un moteur quantique sont plus strictes que les limites imposées par la deuxième loi de la thermodynamique, qui fixe les limites ultimes de l'efficacité des moteurs classiques.

Comme l'expliquent les physiciens, la raison des limites plus strictes sur les moteurs quantiques est que la mécanique classique n'impose pas de restrictions sur la vitesse d'un processus, alors que la mécanique quantique a des limitations de vitesse, qui sont donnés par des "limites de vitesse quantiques". Les scientifiques prévoient de comparer différentes méthodes de raccourci afin de déterminer celle qui conduit à la machine la plus économe en énergie. Comprendre les limites de vitesse quantiques et leurs limitations fondamentales sur les systèmes quantiques est essentiel pour concevoir les futurs moteurs quantiques.

"L'avènement de la miniaturisation conduira inévitablement à des machines si petites que leur dynamique obéira généralement aux lois de la mécanique quantique au lieu de celles de la mécanique classique, " a déclaré Abah. " Leurs propriétés seront alors régies par la thermodynamique quantique. "

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