Tradizionalmente, i motori termici producono calore dallo scambio tra bagni ad alta e bassa temperatura. Ora, immagina un motore termico che funziona su scala quantistica, e un sistema costituito da un atomo che interagisce con la luce (fotoni) confinato in una cavità riflettente di dimensioni subatomiche. Questa configurazione può essere ad alta o bassa temperatura, emulando i due bagni trovati nei motori termici convenzionali. Il controllo dei parametri che influenzano il funzionamento di tali modelli di motori termici quantistici potrebbe aumentare notevolmente la nostra capacità di manipolare gli stati quantistici della cavità atomica accoppiata, e accelerare la nostra capacità di elaborare le informazioni quantistiche. Affinché questo funzioni, dobbiamo trovare nuovi modi per migliorare l'efficienza dei motori termici quantistici.

In uno studio pubblicato su EPJ D , Kai-Wei Sun e colleghi della Beihang University, Pechino, Cina, mostrano metodi per controllare la potenza di uscita e l'efficienza di un motore termico quantistico basato sulla cavità a due atomi. Nel modello familiare del motore termico su scala macroscopica, chiamato motore termico di Carnot, l'efficienza aumenta in funzione del rapporto tra le temperature dei bagni a bassa e ad alta temperatura. A confronto, l'efficienza dei motori termici quantistici a due livelli è correlata al livello di entanglement quantistico in questi due stati, che sono a bassa o alta temperatura, e mostrano la stessa probabilità di essere occupati.

Gli autori hanno scoperto che il loro modello di motore termico produce alta efficienza e potenza di uscita solo quando il numero di fotoni coinvolti è piccolo; di conseguenza, la sua efficienza e potenza diminuiscono rapidamente all'aumentare del numero di fotoni. Ciò implica la necessità di ridurre il numero di fotoni per migliorare l'efficienza di questi motori, in modo che possiamo aumentare la potenza di manipolazione quantistica e realizzare l'elaborazione dell'informazione quantistica basata su sistemi atomici-cavità.