(Phys.org) — È noto che i motori quantistici funzionano in modo diverso rispetto a — e in alcuni casi, sovraperformano, le loro controparti classiche. Però, ricerche precedenti sulle prestazioni dei motori quantistici potrebbero sovrastimare i loro vantaggi. In un nuovo studio, i fisici hanno sviluppato un metodo migliorato per calcolare l'efficienza dei motori quantistici. Mostrano che l'efficienza ultima dei sistemi quantistici è soggetta a limiti fondamentali più stretti di quelli imposti dalla seconda legge della termodinamica, che regola l'efficienza dei sistemi classici.

I fisici Obinna Abah ed Eric Lutz della Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg in Germania hanno pubblicato un articolo sulle macchine quantistiche ad alta efficienza energetica in un recente numero di EPL . Abah è attualmente un ricercatore della Commissione Reale per l'Esposizione del 1851 presso la Queen's University di Belfast, UK.

Le prestazioni di qualsiasi tipo di motore, quantistico o classico, sono in gran parte determinate dalla sua efficienza energetica (il rapporto tra energia prodotta e energia assorbita) e dalla sua potenza (il tasso di energia prodotta in un dato tempo). La termodinamica convenzionale impone un compromesso tra l'efficienza di un motore e la sua potenza, ovvero quando ne aumenti uno, l'altro diminuisce. Per i motori quantistici, però, è possibile aumentare contemporaneamente sia l'efficienza che la potenza. Ciò significa che, con metodi adeguati, i motori quantistici possono potenzialmente produrre più energia in uscita da una data quantità di energia in ingresso, e farlo a un ritmo più veloce rispetto a prima del miglioramento.

Alcuni dei metodi che consentono l'aumento simultaneo di efficienza e potenza sono denominati tecniche di "scorciatoia per l'adiabaticità". Le trasformazioni adiabatiche sono altamente desiderabili perché dissipano poca energia, che aumenta l'efficienza del sistema e velocizza la dinamica del sistema, che aumenta la potenza del sistema. Come suggerisce il loro nome, le scorciatoie per l'adiabaticità consentono alle macchine quantistiche di imitare l'operazione adiabatica in un tempo molto più breve di quanto sia possibile utilizzando autentiche trasformazioni adiabatiche, che sono infinitamente lenti.

Sebbene ricerche precedenti abbiano dimostrato i vantaggi delle scorciatoie per l'adiabaticità per migliorare le prestazioni dei motori termici, questi metodi in genere non tengono conto del costo energetico del protocollo di scelta rapida nel calcolo dell'efficienza finale del sistema. Di conseguenza, i miglioramenti di efficienza dovuti alle scorciatoie per l'adiabaticità sembrano essere gratuiti, esagerando i loro effetti.

Nel nuovo studio, Abah e Lutz hanno sviluppato un metodo per valutare le prestazioni di un sistema che tiene conto del costo energetico di queste scorciatoie. I loro risultati mostrano che le scorciatoie per l'adiabaticità migliorano le prestazioni di un sistema solo se la scorciatoia è sufficientemente veloce, poiché le scorciatoie più veloci hanno costi energetici inferiori. D'altra parte, i protocolli di scelta rapida molto lenti hanno costi energetici più elevati che possono superare qualsiasi potenziale guadagno energetico.

"Il nostro lavoro mostra che una maggiore efficienza e una maggiore potenza possono essere raggiunte allo stesso tempo con l'aiuto di metodi di scorciatoia per l'adiabatica, anche tenendo conto del costo energetico della scorciatoia, "Abah ha detto Phys.org .

I fisici hanno anche dimostrato che esiste un limite fondamentale all'efficienza di qualsiasi motore quantistico, non importa che tipo di scorciatoie per l'adiabaticità utilizza. Sorprendentemente, i limiti su un motore quantistico sono più severi dei limiti imposti dalla seconda legge della termodinamica, che pone i limiti ultimi all'efficienza dei motori classici.

Come spiegano i fisici, la ragione per i limiti più stretti sui motori quantistici è perché la meccanica classica non pone restrizioni alla velocità di un processo, considerando che la meccanica quantistica ha limitazioni di velocità, che sono dati da "limiti di velocità quantistica". Gli scienziati hanno in programma di confrontare diversi metodi di scorciatoia per determinare quello che porta alla macchina più efficiente dal punto di vista energetico. Comprendere i limiti di velocità quantistica e le loro limitazioni fondamentali sui sistemi quantistici è essenziale per la progettazione dei futuri motori quantistici.

"L'avvento della miniaturizzazione porterà inevitabilmente a macchine così piccole che le loro dinamiche generalmente obbediranno alle leggi della meccanica quantistica invece di quelle della meccanica classica, "Abah ha detto. "Le loro proprietà saranno quindi governate dalla termodinamica quantistica".

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