Сегодня, со значительными достижениями в области нанопроизводства, на нас надвигается квантовая революция, привлекающая внимание к квантовым тепловым двигателям. Как и их классические аналоги, квантовые тепловые двигатели могут работать по различным протоколам, которые могут быть непрерывными или циклическими. В отличие от классического двигателя, который использует макроскопическое количество рабочего вещества, рабочее вещество квантового двигателя обладает ярко выраженными квантовыми свойствами. Наиболее заметным из них является дискретность возможных энергий, которые он может принимать. Еще более диковинным с классической точки зрения является тот факт, что квантовая система может находиться в двух или более своих допустимых энергиях одновременно. Это свойство, не имеющее классического аналога, известно как "когерентность". В остальном квантовый двигатель Отто также характеризуется четырьмя тактами, как и его классический аналог.

Определение показателей производительности двигателя quantum Otto, таких как выходная мощность или КПД, является ключом к улучшению дизайна и подбору более эффективных рабочих веществ. Прямая диагностика таких показателей требует измерения энергии двигателя в начале и конце каждого такта. В то время как на классический двигатель измерения влияют лишь незначительно, в квантовых двигателях сам акт измерения вызывает причудливый эффект измерения, при котором квантовое состояние двигателя сильно зависит от квантовой механики. Самое главное, что любая согласованность в системе в конце цикла была бы полностью устранена эффектом измерения.

Долгое время считалось, что эти странные эффекты, вызванные измерениями, не имеют отношения к пониманию квантовых двигателей и, следовательно, игнорируются в традиционной квантовой термодинамике. Более того, не так много внимания уделялось разработке протоколов мониторинга, которые обеспечивают надежную диагностику работы двигателя при минимальном ее изменении.

Однако новое прорывное исследование, проведенное в Центре теоретической физики сложных систем при Институте фундаментальных наук Южной Кореи, может изменить эту жесткую точку зрения. Исследователи исследовали влияние различных схем диагностики, основанных на измерениях, на производительность квантового двигателя Otto. Кроме того, они обнаружили минимально инвазивный метод измерения, который сохраняет согласованность во всех циклах.

Исследователи использовали так называемую "схему повторяющихся контактов", где они регистрируют состояния двигателя с помощью вспомогательного датчика, а измерения датчика выполняются только в конце рабочих циклов двигателя. Это позволяет избежать необходимости многократного измерения двигателя после каждого такта и избежать нежелательных квантовых эффектов, вызванных измерением, таких как устранение любой когерентности, которая была создана во время цикла.

Сохранение согласованности на протяжении всего срока службы двигателя повысило такие важные показатели производительности, как максимальная выходная мощность и надежность, сделав двигатель более производительным и надежным. По словам проф. Тингна: "это первый пример, в котором должным образом учитывалось влияние экспериментатора, который хочет знать, делает ли двигатель то, для чего он предназначен".

Охватывая широкий спектр различных режимов работы двигателей с рабочим веществом, имеющим всего два квантовых состояния, исследователи обнаружили, что только для идеализированных циклов, которые выполняются бесконечно медленно, не имеет значения, какая схема мониторинга применяется. Но все двигатели, которые работают в течение конечного времени и, следовательно, представляют практический интерес, работают значительно лучше с точки зрения их выходной мощности и надежности, когда они контролируются в соответствии со схемой повторного контакта.

В целом, исследователи пришли к выводу, что природа методов измерения может приблизить теорию к экспериментальным данным. Следовательно, жизненно важно учитывать эти факторы при мониторинге и тестировании квантовых тепловых двигателей. Это исследование было опубликовано в журнале Physical Review X Quantum.