ВД-II ?, Нарушение принципа (теоремы) взаимности, II закон

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

FENIMUS
Сообщения: 998
Зарегистрирован: Пн мар 31, 2008 11:57
Контактная информация:

Re: ВД-II ?, Нарушение принципа (теоремы) взаимности, II закон

Номер сообщения:#181   FENIMUS »

А из чело лучше делать дешевое магнитооптическое стекло?

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34354
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: ВД-II ?, Нарушение принципа (теоремы) взаимности, II закон

Номер сообщения:#182   morozov »

Дешевое не знаю.
Обычно это редкоземельные добавки, лантан наверно самое дешевое.
Сейчас где-то делают магнито-чувствительные пленки.

Изображение





http://tekhnosfera.com/borogermanatnye- ... -elementov

Где-то делают, сходу не нашел. Когда-то видел
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34354
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: ВД-II ?, Нарушение принципа (теоремы) взаимности, II закон

Номер сообщения:#183   morozov »

Двигатель квантового сгорания

Как справиться с энтропией

Люди научились строить очень мощные двигатели внутреннего сгорания, но не научились главному — существенному повышению их КПД. Предел на этом пути ставит второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия системы неизбежно растет. Но нельзя ли преодолеть этот предел с помощью квантовой физики? Оказалось, что можно, но для этого необходимо было понять, что энтропия субъективна, а тепло и работа — далеко не единственно возможные формы энергии. Подробнее о том, что такое квантовые двигатели, как они устроены и на что способны, читайте в нашем материале.

За 300 лет развития технологии расчета, проектирования и конструирования двигателей проблема создания машины с большим коэффициентом полезного действия (КПД) так и не была решена, хоть и является критичной для многих областей науки и техники.

Квантовая физика, открытая в начале XX века, преподнесла нам уже немало сюрпризов в мире технологий: атомная теория, полупроводники, лазеры и, наконец, квантовые компьютеры. Эти открытия основываются на необычных свойствах субатомных частиц, а именно, на квантовых корреляциях между ними — сугубо квантовом способе обмена информацией.

И кажется, квантовая физика готова удивить нас еще раз: годы развития квантовой термодинамики позволили физикам показать, что квантовые тепловые двигатели могут иметь высокую эффективность на малых масштабах, недоступную для классических машин.

Давайте разберемся, что такое квантовая термодинамика, как работают тепловые машины, какие улучшения дает квантовая физика и что необходимо сделать для создания эффективного двигателя будущего.

Классические тепловые двигатели

В своей книге 1824 года «Размышления о движущей силе огня» 28-летний французский инженер Сади Карно придумал, как паровые двигатели могут эффективно преобразовывать тепло в работу, заставляющую двигаться поршень или крутиться колесо.

К удивлению Карно, эффективность идеального двигателя зависела только от разницы температур между источником тепла двигателя (нагревателем, как правило — огнем) и теплоотводом (холодильником, как правило — окружающим воздухом).

Карно понял, что работа — это побочный продукт естественного перехода тепла от горячего тела к холодному.
Изображение
Схема работы теплового двигателя

В тепловых двигателях используется следующий цикл. Тепло Q1 подводится из нагревателя с температурой t1 к рабочему телу, часть тепла Q2 отводится к холодильнику с температурой t2, t1 > t2.

Работа, произведенная тепловым двигателем, равна разности между подведенным и отведенным теплом: A = Q1 − Q2, а КПД η будет равен η = A/Q1.

Карно показал, что КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по его циклу с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника ηCarnot = (t1 − t2)/t1. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПД η к идеальному ηCarnot.

Сади Карно умер от холеры восемь лет спустя — прежде, чем смог увидеть, как уже в XIX веке его формула эффективности превратилась в теорию классической термодинамики — набор универсальных законов, связывающих температуру, тепло, работу, энергию и энтропию.

Классическая термодинамика описывает статистические свойства систем, сводя микропараметры, такие как положения и скорости частиц, к макропараметрам: температуре, давлению и объему. Законы термодинамики оказались применимы не только к паровым машинам, но и к Солнцу, черным дырам, живым существам и всей Вселенной.

Это теория настолько простая и общая, что Альберт Эйнштейн считал, что она «никогда не будет свергнута». Однако с самого начала термодинамика занимала исключительно странное положение среди других теорий мироздания.

«Если бы физические теории были людьми, термодинамика была бы деревенской ведьмой, — писала несколько лет назад физик Лидия дель Рио. — Другие теории находят ее странной, отличной от остальных, но все приходят к ней за советом и никто не осмеливается ей противоречить».

Термодинамика никогда не претендовала на то, чтобы быть универсальным методом анализа окружающего мира, скорее, она путь к эффективному использованию этого мира.

Термодинамика рассказывает нам, как максимально использовать ресурсы, такие как горячий газ или намагниченный металл, для достижения конкретных целей, будь то движение поезда или форматирование жесткого диска.

Ее универсальность происходит от того, что она не пытается понять микроскопические детали отдельных систем, а только заботится о том, чтобы определить, какие операции легко реализовать в этих системах, а какие трудно.

Такой подход может показаться странным для ученых, но им активно пользуются в физике, информатике, экономике, математике и много где еще.

Одна из самых странных особенностей теории — это субъективность ее правил. К примеру, газ, состоящий из частиц, в среднем имеющих одинаковую температуру, при ближайшем рассмотрении имеет микроскопические температурные различия.

В последние годы появилось революционное понимание термодинамики, объясняющее эту субъективность с помощью квантовой теории информации, которая описывает распространение информации через квантовые системы.

Точно так же, как термодинамика первоначально выросла из попыток улучшить паровые двигатели, современная термодинамика описывает работу уже квантовых машин — управляемых наночастиц.

Для корректного описания мы вынуждены распространить термодинамику на квантовую область, где такие понятия, как температура и работа, теряют свое обычное значение, а классические законы механики перестают работать.

Квантовая термодинамика

Зарождение квантовой термодинамики

В письме от 1867 года своему коллеге, шотландцу Питеру Тейту, знаменитый физик Джеймс Кларк Максвелл сформулировал знаменитый парадокс, намекающий на связь между термодинамикой и информацией.

Парадокс касался второго закона термодинамики — правила, согласно которому энтропия всегда возрастает. Как позже заметил сэр Артур Эддингтон, это правило «занимает главенствующее положение среди законов природы».

Согласно второму закону, энергия становится все более неупорядоченной и менее полезной, поскольку она распространяется от горячих тел к холодным и различия в температуре уменьшаются.

А как мы помним из открытия Карно, для совершения полезной работы требуются горячее и холодное тело. Огонь гаснет, чашки с утренним кофе остывают, а Вселенная устремляется к состоянию равномерной температуры, известной как тепловая смерть Вселенной.

Великий австрийский физик Людвиг Больцман показал, что увеличение энтропии является следствием законов обычной математической статистики: существует гораздо больше способов для равномерного распределения энергии между частицами, чем для локальной ее концентрации. Когда частицы движутся, они естественным образом стремятся к состояниям с более высокой энтропией.

Но в письме Максвелла описывался мысленный эксперимент, в котором некое просветленное существо — позднее названное демоном Максвелла — использует свои знания для снижения энтропии и нарушения второго закона.

Всемогущий демон знает положение и скорость каждой молекулы в контейнере с газом. Разделяя контейнер на две половинки и открывая и закрывая маленькую дверцу между двумя камерами, демон пропускает только быстрые молекулы в одну сторону и только медленные — в другую.

Действия демона делят газ на горячий и холодный, концентрируя его энергию и снижая общую энтропию. Некогда бесполезный газ с некоторой средней температурой теперь можно пустить в ход в тепловой машине.

Долгие годы Максвелл и другие задавались вопросом, как закон природы может зависеть от знания или незнания положения и скорости молекул. Если второй закон термодинамики субъективно зависит от этой информации, то как он может быть абсолютной истиной?

Связь термодинамики с информацией

Столетие спустя американский физик Чарльз Беннетт, опираясь на работы Лео Силарда и Рольфа Ландауэра, разрешил парадокс, формально связав термодинамику с наукой об информации. Беннетт утверждал, что знания демона хранятся в его памяти, а память должна быть очищена, на что требуется работа.

В 1961 году Ландауэр подсчитал, что при комнатной температуре компьютеру требуется не менее 2,9 × 10-21 джоулей, чтобы стереть один бит хранимой информации. Другими словами, когда демон разделяет горячие и холодные молекулы, снижая энтропию газа, его сознание потребляет энергию, и общая энтропия системы газ + демон возрастает, не нарушая второй закон термодинамики.

Результаты исследования показали, что информация является физической величиной — чем больше у вас информации, тем больше работы вы можете извлечь. Демон Максвелла создает работу из газа с одной температурой, потому что у него гораздо больше информации, чем у обычного наблюдателя.

Потребовались еще полвека и расцвет квантовой теории информации — области, зародившейся в погоне за квантовым компьютером, чтобы физики подробно изучили поразительные следствия идеи Беннетта.

В течение последнего десятилетия физики предположили, что энергия распространяется от горячих объектов к холодным из-за определенного способа распространения информации между частицами.

Согласно квантовой теории, физические свойства частиц вероятностны и частицы могут находиться в суперпозиции состояний. Когда они взаимодействуют, то запутываются, комбинируя вместе распределения вероятностей, описывающих их состояния.

Центральным положением квантовой теории является утверждение, что информация никогда не теряется, то есть настоящее состояние Вселенной сохраняет всю информацию о прошлом. Однако со временем, когда частицы взаимодействуют и все больше запутываются, информация об их индивидуальных состояниях перемешивается и распределяется между все большим количеством частиц.

Чашка кофе охлаждается до комнатной температуры, потому что при столкновении молекул кофе с молекулами воздуха информация, кодирующая кофейную энергию, просачивается наружу, передается окружающему воздуху и теряется в нем.

Однако понимание энтропии как субъективной меры позволяет Вселенной в целом развиваться без потери информации. Даже когда энтропия частей Вселенной, например частиц газа, кофе, читателей N + 1, растет по мере того, как их квантовая информация теряется во Вселенной, глобальная энтропия Вселенной всегда остается нулевой.

15 лет назад люди думали об энтропии как о свойстве термодинамической системы. Сейчас же мы считаем, что энтропия — это не свойство системы, а свойство наблюдателя, описывающего систему.

Идея о том, что энергия имеет две формы: бесполезное тепло (о котором мы не знаем ничего) и полезную работу (о которой мы знаем почти все), имела смысл для паровых двигателей.

На самом деле между ними существует целый спектр форм — энергия, о которой у нас есть лишь частичная информация. При таком подходе энтропия и термодинамика становятся гораздо менее загадочными.

Ренато Реннер,
профессор университета ETH, Цюрих

Квантовая тепловые двигатели

Как же теперь, используя более глубокое понимание квантовой термодинамики, построить тепловую машину?

В 2012 году был учрежден технологический Европейский исследовательский центр, посвященный квантовой термодинамике, где в настоящее время работают более 300 ученых и инженеров.

Команда центра надеется исследовать законы, управляющие квантовыми переходами в квантовых двигателях и холодильниках, которые когда-нибудь смогут охлаждать компьютеры или использоваться в солнечных панелях, биоинженерии и других приложениях.

Уже сейчас исследователи намного лучше, чем раньше, понимают, на что способны квантовые двигатели.

Тепловой двигатель — это устройство, использующее квантовое рабочее тело и два резервуара при разных температурах (нагреватель и холодильник) для извлечения работы. Работа — это передача энергии от двигателя к какому-то внешнему механизму без изменения энтропии механизма.

С другой стороны, тепло — это обмен энергией между рабочем телом и резервуаром, изменяющий энтропию резервуара. При слабой связи между резервуаром и рабочим телом тепло связано с температурой и может быть выражено как dQ = TdS, где dS — это изменение энтропии резервуaра.

В элементарном квантовом тепловом двигателе рабочее тело состоит из одной частицы. Такой двигатель удовлетворяют второму закону и поэтому также ограничен пределом эффективности Карно.

Когда рабочее тело приводится в контакт с резервуаром, то в рабочем теле изменяется заселенность энергетических уровней. Определяющим свойством резервуара является его способность довести рабочее тело до заданной температуры независимо от начального состояния тела.

В данном случае температура является параметром квантового состояния системы, а не макропараметром, как в классической термодинамике: мы можем говорить о температуре как о заселенности энергетических уровней.

В процессе обмена энергией с резервуаром тело обменивается еще и энтропией, поэтому энергетический обмен на этой стадии рассматривается как передача тепла.

Для примера рассмотрим квантовый цикл Отто, в котором рабочим телом будет выступать двухуровневая система. В такой системе имеются два энергетических уровня, каждый из которых может быть заселен; пусть энергия основного уровня E1, а возбужденного E2. Цикл Отто состоит из 4 стадий:

I. Расстояние между уровнями E1 и E2 увеличивается и становится Δ1 = E1 − E2.

II. Происходит контакт с нагревателем, система нагревается, то есть верхний энергетический уровень заселяется и изменяется энтропия рабочего тела. Это взаимодействия продолжается время τ1.

III. Происходит сжатие между уровнями E1 и E2, то есть происходит работа над системой, теперь расстояния между уровнями Δ2 = E1 − E2.

IV. Тело приводится в контакт с холодильником на время τ2, что дает ему возможность срелаксировать, опустошить верхний уровень. Теперь нижний уровень оказывается полностью заселен.

Здесь мы можем ничего не говорить о температуре рабочего тела, имеют значения лишь температуры нагревателя и холодильника. Совершенную работу можно записать как:

dW = (p0(τ1) − p1(τ2))(Δ1 − Δ2), (1)

где p0(1) — вероятность, что рабочее тело находилось в основном (возбужденном) состоянии. КПД данного квантового четырехтактного двигателя η = 1 − Δ1/Δ2.
Изображение
Цикл Отто на квантовой двухуровневой системе
Поделиться

Например, возможно построить квантовый двигатель, в котором роль рабочего тела играет сверхпроводящий кубит, а в качестве нагревателя и холодильника используются два нормальных резистора с разным сопротивлением.

Эти резисторы генерируют шум, обладающий характерной температурой: большой шум — нагреватель, маленький — холодильник.

Корректная работа такого двигателя была показана в работе ученых из университета Аалто в Финляндии.

В реализации цикла Отто разность между уровнями энергии можно модулировать постоянным магнитным потоком, то есть «сжимать» или «расширять» уровни, а включать взаимодействие с резервуарами отлично получалось короткими микроволновыми сигналами.

В 2015 году ученые из Еврейского университета Иерусалима подсчитали, что такие квантовые двигатели могут превзойти классические аналоги.

Эти вероятностные двигатели все еще следуют формуле эффективности Карно в терминах того, сколько работы они могут извлечь из энергии, проходящей между горячими и холодными телами. Но они способны извлекать работу гораздо быстрее.

Двигатель, сделанный из одного иона, был экспериментально продемонстрирован и представлен в 2016 году, хотя он не использовал квантовые эффекты для усиления мощности.

Недавно мы писали о том, что был построен квантовый тепловой двигатель на основе ядерного магнитного резонанса, чей КПД был очень близок к идеальному ηCarnot.

Квантовые тепловые машины можно использовать также для того, чтоб охлаждать как большие, так и микроскопически системы, такие как кубиты в квантовом компьютере.

Охладить микросистему значит уменьшить заселенности на возбужденных уровнях, уменьшить энтропию. Это можно сделать через те же термодинамические циклы, включающие в себя нагреватель и холодильник, но запущенные в обратном направлении.

В марте 2017 года была опубликована статья, в которой с помощью квантовой теории информации выводился третий закон термодинамики — утверждение о невозможности достижения абсолютной нулевой температуры.

Авторы статьи показали, что ограничение скорости охлаждения, препятствующее достижению абсолютного нуля, возникает из ограничения на то, как быстро информация может быть выкачана из частиц в объекте конечного размера.

Ограничение на скорость имеет прямое отношение к охлаждающим способностям квантовых холодильников.

Будущее квантовых двигателей

Скоро нас ждет расцвет квантовых технологий, и тогда квантовые тепловые машины могут сильно помочь.

Использовать кухонный холодильник для охлаждения микросистем не получится из-за его беспорядочной работы — в среднем температура в нем низкая, но локально она может достигать недопустимых значений.

Из-за тесной связи квантовой термодинамики с информацией мы в силах использовать наши знания (информацию) для совершения локальной работы — например, реализовать квантового демона Максвелла, используя многоуровневые системы, для охлаждения (очищения состояния) кубитов в квантовом компьютере.

Что касается квантовых двигателей большего масштаба, то утверждать, что такой двигатель придет на смену двигателю внутреннего сгорания, еще рано. Пока двигатели, состоящие из одного атома, имеют слишком низкую эффективность.

Однако интуитивно понятно, что при использовании макроскопической системы с множеством степеней свободы, мы сумеем извлечь лишь малую часть полезной работы, ведь такой системой можно управлять только в среднем. В концепции квантовых двигателей появляется возможность управлять системами более эффективно.

На данный момент в науке о наноразмерных тепловых машинах есть множество как теоретических, так и инженерных вопросов. Например, большой проблемой являются квантовые флуктуации, способные создавать «квантовое трение», привнося лишнюю энтропию и уменьшая эффективность двигателя.

Сейчас физики и инженеры активно работают над оптимальным контролем квантового рабочего тела и созданием нанонагревателя и нанохолодильника. Рано или поздно квантовая физика поможет нам создать новый класс полезных устройств.

Михаил Перельштейн
С уважением, Морозов Валерий Борисович

FENIMUS
Сообщения: 998
Зарегистрирован: Пн мар 31, 2008 11:57
Контактная информация:

Re: ВД-II ?, Нарушение принципа (теоремы) взаимности, II закон

Номер сообщения:#184   FENIMUS »

Философия, пока не принесшая результата.. )
Демон максвелла - это парадокс термодинамики, и второй закон термодинамики работает только в термодинамике.
Так что авторы не сделали нарушения термодинамики..
Квантовая термодинамика - это не термодинамика, хоть 1 слово в названии и совпадает.. но слова не влияют на законы физики.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34354
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: ВД-II ?, Нарушение принципа (теоремы) взаимности, II закон

Номер сообщения:#185   morozov »

Квантовые двигатели - новый прорыв, «изгибающий» второй закон термодинамики #Технологии
Николай Макаренко 09 февраля 2020, 07:13 47630 7

Тепловые двигатели преобразуют тепло в другие виды энергии. Новый квантовый тепловой двигатель может генерировать больше энергии, чем классические аналоги.

Двигатели внутреннего сгорания работают благодаря известному второму закону термодинамики. Этот закон справедлив и для сверхмалых двигателей в квантовой сфере, но с небольшими отклонениями. Исследованиями установлено, что квантовая запутанность может помочь отдельным атомам управлять тепловыми машинами.

Информация, безусловно, важна для понимания термодинамики, а также совершенно необходима для понимания странных частей квантовой механики. Крошечные кусочки материи могут существовать в двух местах одновременно, это явление называется суперпозицией. Две или более частиц могут быть разбиты в так называемое запутанное состояние, запутанно связывая свойства частиц независимо от расстояния между ними. квантовые двигатели, квантовый двигатель, второй закон термодинамики, термодинамика, энергия, физика, преобразование тепла в работу, тепло, работа

Хотя второй закон остается в силе, способность использовать информацию из квантовых эффектов помогает делать то, что невозможно было делать классически.

Незыблемый второй закон термодинамики и его «изгиб»

Когда французский инженер Сади Карно рассчитал максимальную эффективность теплового двигателя в 1824 году, он понятия не имел, что такое тепло. В те дни физики считали, что тепло - это жидкость, называемая калорией. Но для Карно, которого позже рассматривали как пионера в установлении второго закона термодинамики, и не нужно было знать эти детали, потому что термодинамика нечувствительна к микроскопическим деталям. Тепло всегда распространяется от горячего к холодному независимо от того, состоит ли оно из жидкости или металла. Термодинамика, законы и уравнения, управляющие энергией и ее полезностью для работы, касается только общей картины. Это успешный классический подход. Как того требует термодинамика, энергия всегда сохраняется (первый закон), и когда она распространяется от горячего к холодному, она может выполнять работу, ограниченную генерацией беспорядка или энтропии (второй закон). Эти законы определяют все, начиная от расстояния перемещения на литре топлива, которое двигатель автомобиля может реализовать до батареи аккумулятора смартфона. Они помогают физикам лучше понять черные дыры и понять, почему время движется вперед, а не назад.

Тем не менее, общий подход, учитывающий поле, а не колоски, заставил физиков задуматься, действует ли термодинамика на всех уровнях. Будет ли это работать, если двигатель состоит из трех молекул, а не из типичного триллиона триллионов? Возможно, термодинамический код не так уж жесток в области очень малых размеров, управляемых причудливыми правилами квантовой механики. квантовые двигатели, квантовый двигатель, второй закон термодинамики, термодинамика, энергия, физика, преобразование тепла в работу, тепло, работа

За последние несколько десятилетий физики постепенно исследовали поток тепла на квантовом уровне, и были заинтригованы обнаруженными нарушениями второго закона термодинамики. Пока что второй закон остается в силе, но новые точные экспериментальные методы позволяют физикам более полно исследовать квантовые основы термодинамики и получить интересные результаты. Проверяя пределы, установленные теоретиками, исследователи строят крошечные двигатели, некоторые из которых приводятся в действие одним атомом, и измеряют слабую мощность устройств. Эксперименты, проведенные на протяжении многих лет, показали, что если второй закон термодинамики действительно нарушается в небольших масштабах, то это нарушение не очень велико.

Даже если физики не могут нарушить термодинамические правила, последние данные предлагают способы «согнуть» их - особенно путем использования способа, которым квантовая запутанность сплетает вместе «судьбы» нескольких частиц. Например, методы, используемые при обработке квантовой информации, могут оказаться полезными для выжимания дополнительной энергии из миниатюрных двигателей. Эти достижения, например, могут помочь ученым создать наномашины, которые собирают тепло и используют его для доставки лекарств в организм, или помогают уменьшить потери энергии в крошечных компонентах традиционных компьютеров.

Квантовые двигатели

Будущее практического применения этой работы будет зависеть от понимания того, как основные термодинамические принципы действуют в сверхмалых масштабах.

В проведенных исследованиях квантовый двигатель превзошел свой традиционный эквивалент, без каких-либо особых настроек в его среде. Устройство использует странную физику очень маленьких объектов для производства большей мощности, чем стандартный или классический двигатель в тех же условиях. «Ученые очень убедительно показали, что квантовая машина работает лучше, чем классическая», - говорит физик Марк Митчисон из Тринити-колледжа в Дублине. «Это очень важный шаг вперед».
Изображение
Классическая схема работы теплового двигателя.

Устройство представляет собой тип теплового двигателя. Традиционные тепловые двигатели превращают тепло в движение. Например, двигатель внутреннего сгорания автомобиля сжигает топливо для перемещения поршней по цилиндру, в результате чего автомобиль движется вперед. Другие тепловые двигатели имеют увеличенные мощности. Но прирост мощности этих машин полагается на изменения в окружающей среде вне основной машины - например, источник тепла машины, возможно, был наделен дополнительными полезными свойствами - поэтому большая мощность не была полностью характерной особенностью самой машины.

В новом исследовании квантовый двигатель работает не путем зажигания бензина, а с помощью лазера, чтобы заставить электрон внутри крошечного дефекта кристалла алмаза перепрыгнуть между уровнями энергии. И вместо того, чтобы двигать поршни, квантовая машина выводит свою мощность в электромагнитных волнах.
Вот где появляется квантовая часть: объекты, которые ведут себя в соответствии с квантовой механикой, иногда находятся в подвешенном состоянии, известном как суперпозиция, то есть они пойманы в двух местах одновременно или в двух разных конфигурациях. Электрон в квантовом двигателе может находиться в суперпозиции двух энергетических уровней. Как будто поршень двигателя автомобиля одновременно находился в верхнем и нижнем положениях.

При определенных условиях это свойство приводит к увеличению выходной мощности по сравнению с максимальной мощностью, возможной для традиционного теплового двигателя. «Это первый эксперимент, когда такой режим был достигнут», - говорит физик Роберто Серра из Федерального университета ABC в Санто-Андре, Бразилия.

Квантовое увеличение мощности проявляется только в том случае, если двигатель работает чрезвычайно осторожно, как автомобильный двигатель, в котором поршни двигаются незначительно во время каждого цикла. Это означает, что квантовая машина не заменяет всех возможных конкурентов, а только тех, которые также работают в этом спокойном состоянии, а пока большинство из них работают на других режимах. Так что не ожидайте, что эти квантовые двигатели будут питать транспортные средства или устройства в ближайшее время. «Если вы пытаетесь построить автомобиль или реактивный двигатель ... это абсолютно бесполезно», - говорит физик Ян Уолмсли из лондонского Имперского колледжа, соавтор исследования. Вместо этого, исследования ученых раскрывают новые детали того, как квантовая механика взаимодействует с термодинамикой, теорией, которая управляет теплом, температурой и энергией. В этом случае новый двигатель открывает лазейку для нормальных ограничений по выработке электроэнергии. «Мы не изменили структуру термодинамики, но мы открыли новую ее часть», - говорит Уолмсли.

Вместо того, чтобы анализировать энтропию напрямую, команда Оппенгейма изучила, сколько энергии у системы есть для выполнения работы - количество, называемое свободной энергией. В нашем макроскопическом мире количество свободной энергии зависит только от температуры и энтропии системы. Но, приближаясь к меньшим и меньшим коллекциям частиц, исследователи обнаружили, что им нужно было учесть еще несколько разновидностей свободной энергии. Каждый из них уменьшается со временем. Другими словами, второй закон требует соблюдения еще большего количества правил на квантовом уровне.

Информационное преимущество преобразования тепла в работу Многие физики пытаются использовать суперпозицию, квантовую запутанность и другие квантовые хитрости для выполнения информационных задач, которые невозможны по правилам классической физики. Исследователи предполагают сверхзащищенные сети связи и квантовые компьютеры, которые используют запутанные фотоны или ионы для легкого решения сложных проблем.

Изображение
Цикл Отто на квантовой двухуровневой системе.

Но информация означает гораздо больше, чем просто обмен и обработка единиц и нулей. В результате физики, размышляющие над квантовыми вычислениями и коммуникацией, обратили свое внимание на термодинамику. Они начали решать вопрос, могут ли такие свойства, как запутанность, также дать преимущество в преобразовании тепла в работу.

Получение информации со скидкой может развить технологию, которая превосходит второй закон и превосходит лучшие двигатели в натуральную величину. «На что мы можем надеяться, так это на машины, которые работают быстрее, на холодильники, которые эффективнее охлаждаются, или на батареи, которые накапливают больше энергии или заряжаются быстрее», - говорит Хубер, теоретик квантовой информации в Женевском университете.

Двигатель размером с атом

В ближайшее время ученые смогут в лабораториях экспериментировать с двигателями, использующими квантовые эффекты. Немецкие исследователи уже сделали шаг к этой цели, построив тепловой двигатель, состоящий из одного атома. Йоханнес Роснагель, квантовый физик из Университета Майнца, и его коллеги построили конусообразную оболочку вокруг иона кальция. После использования лазера и электрического поля для нагрева иона примерно на один градус выше абсолютного нуля, исследователи измерили работу, выполняемую ионом, когда он оказывал небольшое усилие к вершине конуса. Типичный двигатель (слева) использует тепловую энергию для привода турбины или выполнения какой-либо другой задачи. Уменьшите размер двигателя до минимального, и он может заставить один атом (справа, зеленая точка) вибрировать и выполнять небольшую работу.

Изображение

Исследователи сообщили в статье, опубликованной на сайте arXiv.org, наноскопический двигатель работал в соответствии с законами термодинамики. Роснагель говорит, что с учетом крошечного веса иона мощность была сопоставима с мощностью автомобильного двигателя. «Довольно интересно видеть, что вы можете управлять тепловыми машинами с одним атомом», - говорит он.

Несмотря на измеримую выходную мощность одноионного двигателя, Роснагель предупреждает, что наноразмерные двигатели для практического использования находятся в лучшем случае на расстоянии десятилетий. Вместо этого полезность квантовой термодинамики, вероятно, будет происходить при развитии других технологий.

Квантовая термодинамика и управление теплом

Некоторые исследователи следят за индустрией компьютерных чипов стоимостью в несколько миллиардов долларов. В стремлении создавать все более быстрые компьютеры инженеры продолжают уменьшать транзисторы, чтобы все больше их количество упаковывать в микросхемы. Транзисторы шириной в несколько десятков нанометров имеют тенденцию к утечке электронов и нагреванию. Это тепло разрушает энергоэффективность компьютера и повреждает компоненты. Квантовая термодинамика может помочь физикам научиться трюкам, чтобы уменьшить количество потерянного тепла или, возможно, даже собрать его с помощью небольших устройств внутри компьютера.

Управление теплом еще более важно для физиков, стремящихся создать практические квантовые компьютеры. Такое устройство должно работать при экстремально низких температурах, чтобы использовать квантовые эффекты и потенциально превосходить традиционные компьютеры. Некоторые представители физики утверждают, что подобные эксперименты могут в конечном итоге нарушить основополагающий второй закон термодинамики.

Источник контента: https://naukatehnika.com/kvantovye-dvig ... yandex.com
naukatehnika.com
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34354
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: ВД-II ?, Нарушение принципа (теоремы) взаимности, II закон

Номер сообщения:#186   morozov »

Физики поместили демона Максвелла между двумя квантовыми точками
Изображение
giphy.com

Физики смоделировали систему двух квантовых точек с одноэлектронными переходами для теоретической оценки термодинамических характеристик демона Максвелла с учетом информации и возвратного действия измерений. Они продемонстрировали возможность преобразования тепла в работу за счет информации и получили кривые зависимостей тепла и мощности от запирающего напряжения и степени туннелирования. Статья опубликована в журнале Physical Review B.

Максвелл поставил свой знаменитый мысленный эксперимент с участием демона Максвелла в 1867 году. Сформулировал он его так: герметичный сосуд, заполненный молекулами, разделен перегородкой с дверцей. Этой дверцей управляет демон — он измеряет скорости молекул и избирательно пропускает в один отсек быстрые молекулы, а в другой — медленные, что в конечном итоге разделит все молекулы сосуда на две части относительно средней скорости изначального газа. В разных отсеках после разделения частиц будут разные средние скорости. Температура напрямую зависит от средней скорости частиц, а значит демон создаст разницу температур между двумя частями сосуда. Демон своими действиями упорядочил молекулы, и тем самым уменьшил энтропию системы, что на первый взгляд противоречит второму закону термодинамики.
Изображение
Схематическое изображение классического мысленного эксперимента
wikimedia commons

С развитием теории информации ученые предложили новый подход к решению этого парадокса: демон собирает и запоминает информацию о скорости движения каждой частицы, но когда память переполняется, демон удаляет всю информацию, что увеличивает энтропию системы в целом. Таким образом, второй закон термодинамики должен учитывать наличие информации в этой системе. Согласно принципу Ландауэра на один бит информации при комнатной температуре выделяется как минимум 2.87*10-21 джоуля, и хотя эта величина невелика, при количестве частиц порядка 1023 она уже вносит ощутимый вклад в энтропию системы.

На сегодняшний момент система с демоном Максвелла много раз моделировалась в лабораторных условиях, ученые использовали такие системы, как броуновские частицы, молекулярные машины, фотонные и электронные системы, ультрахолодные атомы и даже молекулы ДНК. Для исследования термодинамики информации интересной кажется система квантовых точек, в которой измеряется заряд одного электрона, потому что электроны напоминают частицы газа в оригинальном мысленном эксперименте. Одноэлектронные транзисторы и квантовые точечные контакты — распространенные детекторы заряда — связаны с электрической схемой, и если ток через детектор чувствителен к близлежащим зарядам, то отдельные туннелирующие явления электронов могут быть замечены сразу же. Ученые уже осуществляли некоторые экспериментальные реализации такой системы в качестве двигателя Сциларда — прикладного аналога демона Максвелла.

Бьёрн Аннби-Андрессон (Björn Annby-Andersson) со своими коллегами из университета Лунда теоретически смоделировал проявление демона Максвелла в системе двух квантовых точек с одним электроном и продемонстрировал, как конвертировать тепло в работу с помощью информации. В модели они реализовали непрерывное измерение зарядов квантовых точек и продвижение электрона против приложенного напряжения по возвратной схеме.

Модель включала в себя электронную систему из двух квантовых точек с одним энергетическим уровнем и резервуар электронов с той же температурой. Аналогичные операции другие ученые проводили с одной квантовой точкой или с металлическими островками, но в этой работе физики рассмотрели более реалистичный детектор со своим уровнем шума и выбрали квантовые точки в качестве тел за счет возможности подбирать степень туннелирования электронов. Они выбрали достаточно большую энергию кулоновского отталкивания, чтобы в задаче рассматривать только один электрон, и пренебрегли вырожденными состояниями электрона, например, наличием спиновой вырожденности. И таким образом система могла находиться в трех состояниях: заряжена левая квантовая точка, заряжена правая квантовая точка или обе точки не заряжены.
Изображение
Визуализация цикла работы демона Максвелла, кривыми стрелками обозначено туннелирование электрона. Подобное событие регистрируется детектором и энергетические уровни меняются, как показано вертикальными линиями
Björn Annby-Andersson / Physical Review B, 2020

Для рассмотрения сложной задачи с ошибками физики сначала разобрались с тем, что будет в случае идеальности всех операций. Для идеальности они использовали три допущения: измерения заряженности квантовой точки безошибочны, а потому в любой момент ученые могут быть уверены в состоянии системы, возвратное воздействие применяется мгновенно и температуры подобраны таким образом, что вероятность нахождения системы в состоянии высшей энергии практически нулевая, а в состоянии наименьшей энергии — стопроцентная. Тогда процесс можно описать так: (1) Сначала квантовые точки пустые, в таком положении единственное возможное событие — туннелирование электрона из резервуара электронов в левую квантовую точку, при этом энергетические уровни немедленно достигают нижнего положения; (2) Электрон туннелирует к правой квантовой точке и энергии уровней соответственно поднимаются; (3) Электрон туннелирует в электронный резервуар и система приходит в начальное положение.

В таком случае совершается работа против приложенного напряжения и температура электронного резервуара понижается. При исследовании статистических моментов распределения электрона ученые выяснили, что транспортное, тепловое и рабочее распределение не подчиняется нормальному распределению, а суммарное изменение энтропии системы — сумма энтропии демона Максвелла и электрической схемы резервуаров и квантовых точек — больше нуля, что подчиняется второму закон термодинамики.

Затем ученые перешли к рассмотрению неидеального демона, они добавили задержку измерения в качестве шума детектора заряда и ослабили условия на вероятности нахождения в состояниях максимальной и минимальной энергии. Физики смоделировали методом Монте-Карло четыре различных типа поведения системы с реалистичным детектором — медленный, шумный, близкий к идеальному детектору и шумный и медленный. Они вычислили среднюю из десяти тысяч симуляций мощность тепла и работы и пришли к выводу, чем больше зашумленность детектора, тем меньше область действия демона Максвелла.
Изображение
Зависимость мощности от запирающего напряжения между квантовыми точками в случае неидеального детектора
Björn Annby-Andersson / Physical Review B, 2020

При малой степени туннелирования электрона система может рассматриваться, как идеальная, и электронные траектории хорошо описываются. Если начать увеличивать степень туннелирования, то ученые все еще смогут оперировать демоном Максвелла, но идеальные параметры мощности станут недостижимыми. Еще большее увеличение степени туннелирования электрона не позволяет точно описывать траектории электронов и система переходит в состояние электронного насоса за счет напряжения управления.
Изображение
Зависимость мощности от степени туннелирования электрона. Левее черной вертикальной линии реализуется демон Максвелла, правее - электронный насос за счет управляющего напряжения
Björn Annby-Andersson / Physical Review B, 2020

Два года назад американские физики получили экспериментальную модель демона Максвелла на примере упорядочивания 50 атомов цезия в трехмерной оптической ловушке. А о других мысленных экспериментах можно прочитать в нашем материале — «Не вставая с дивана».
https://nplus1.ru/news/2018/09/05/3D-Maxwell
Артем Моськин
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»