Figure 1. (a) Schéma d'un seul cycle (Nc =1) d'un cycle d'Otto subissant quatre coups. La substance de travail est un qubit subissant des coups de chaleur thermalisation imparfaits (chauffage et refroidissement) et des coups de travail à temps fini (compression et expansion). (b) la production de travail par cycle du moteur Otto quantique à temps fini, (c) la fiabilité du moteur et (d) la puissance de sortie maximale. Le moteur fonctionne pendant Nc cycles. Dans tous les cas, le schéma de contacts répétés (RC, croix bleues) qui préserve la cohérence surpasse les mesures répétées (RM, cercles remplis de rouge) qui tuent toutes les cohérences. Crédit :Institut des sciences fondamentales
Les moteurs thermiques sont des appareils qui utilisent la chaleur perdue pour effectuer des travaux mécaniques et générer de l'énergie. L'invention des moteurs thermiques a inauguré une ère de révolution industrielle il y a 250 ans. Le moteur Otto, qui utilise des coups de chaleur et de travail distincts, alimente presque toutes les automobiles et est un standard de l'industrie en raison de sa puissance et de son efficacité relativement élevées. Dans un moteur Otto, une substance de travail est généralement un gaz confiné dans un piston, qui subit quatre coups successifs :il est d'abord comprimé, puis chauffé, détendu et finalement refroidi à sa température initiale.
Aujourd'hui, des avancées significatives dans la nano-fabrication mettent les moteurs thermiques quantiques sous les feux de la rampe. Comme leurs homologues classiques, les moteurs thermiques quantiques pourraient fonctionner dans des contextes qui pourraient être continus ou cycliques. Contrairement aux moteurs classiques, qui utilisent une quantité macroscopique de la substance de travail, la substance de travail d'un moteur quantique a des caractéristiques quantiques prononcées. Le plus important d'entre eux est la discrétion des énergies possibles qu'il peut prendre. Encore plus étrange du point de vue classique est le fait qu'un système quantique puisse exister dans deux ou plusieurs de ses énergies autorisées en même temps. Cette propriété, qui n'a pas d'analogue classique, est connue sous le nom de cohérence quantique. Sinon, un moteur quantique Otto est également caractérisé par quatre temps comme son homologue classique.
Déterminer les paramètres de performance du moteur quantique Otto, tels que la puissance de sortie ou l'efficacité, est la clé pour améliorer la conception et personnaliser de meilleures substances de travail. Un diagnostic direct de telles métriques nécessite de mesurer les énergies du moteur au début et à la fin de chaque course. Alors qu'un moteur classique n'est affecté que de manière négligeable par les mesures, dans les moteurs quantiques, l'acte de mesure lui-même provoque un effet de mesure bizarre dans lequel l'état quantique du moteur est gravement affecté par la mécanique quantique. Plus important encore, toute cohérence du système à la fin du cycle serait complètement supprimée par l'effet de mesure.
On a longtemps cru que ces étranges effets induits par les mesures n'étaient pas pertinents pour la compréhension des moteurs quantiques et ont donc été négligés dans la thermodynamique quantique traditionnelle. De plus, peu de réflexion a été consacrée à la conception de protocoles de surveillance permettant d'obtenir un diagnostic fiable des performances du moteur tout en les modifiant au minimum.
Cependant, de nouvelles recherches révolutionnaires effectuées au Centre de physique théorique des systèmes complexes de l'Institut des sciences fondamentales de Corée du Sud pourraient changer cette perspective rigide. Les chercheurs ont étudié l'impact de différents schémas de diagnostic basés sur des mesures sur les performances d'un moteur quantique Otto. De plus, ils ont découvert une méthode de mesure peu invasive qui préserve la cohérence d'un cycle à l'autre.
Les chercheurs ont utilisé le schéma dit de contacts répétés, où ils enregistrent les états du moteur à l'aide d'une sonde auxiliaire, et les mesures de la sonde ne sont effectuées qu'à la fin des cycles de travail du moteur. Cela évite la nécessité de mesurer le moteur à plusieurs reprises après chaque course et évite les effets quantiques indésirables induits par la mesure, tels que la suppression de toute cohérence qui s'est accumulée pendant le cycle.
La préservation de la cohérence tout au long de la durée de vie du moteur a amélioré les mesures de performances critiques telles que la puissance de sortie maximale et la fiabilité, rendant le moteur plus performant et plus fiable. Le professeur Thingna déclare :"C'est le premier exemple dans lequel l'influence d'un expérimentateur, qui veut savoir si le moteur fait ce pour quoi il est conçu, a été correctement prise en compte."
Couvrant un large éventail de différents modes de fonctionnement des moteurs avec une substance de travail ayant seulement deux états quantiques, les chercheurs ont découvert que pour les cycles idéalisés qui fonctionnent infiniment lentement, le schéma de surveillance appliqué ne fait aucune différence. Mais tous les moteurs qui fonctionnent en temps fini et présentent donc un intérêt pratique, fonctionnent considérablement mieux pour leur puissance et leur fiabilité lorsqu'ils sont surveillés selon le schéma de contact répété.
Dans l'ensemble, les chercheurs ont conclu que la nature des techniques de mesure peut rapprocher la théorie des données expérimentales. Par conséquent, il est essentiel de prendre en compte ces facteurs lors de la surveillance et des tests des moteurs thermiques quantiques. Cette recherche a été publiée dans la Physical Review X Quantum .
