I motori termici sono dispositivi che utilizzano il calore di scarto per eseguire lavori meccanici e generare energia. L'invenzione dei motori termici ha inaugurato l'era della rivoluzione industriale 250 anni fa. Il motore Otto, che utilizza calore e colpi di lavoro distinti, alimenta quasi tutte le automobili ed è uno standard del settore grazie alla sua potenza ed efficienza relativamente elevate. In un motore Otto, una sostanza di lavoro è tipicamente un gas confinato in un pistone, che subisce quattro colpi successivi:viene prima compresso, quindi riscaldato, espanso e infine raffreddato alla sua temperatura iniziale.

Oggi, i progressi significativi nella nanofabbricazione portano i motori termici quantistici alla ribalta. Come le loro controparti classiche, i motori termici quantistici potrebbero funzionare in contesti che potrebbero essere continui o ciclici. A differenza dei motori classici, che utilizzano una quantità macroscopica della sostanza di lavoro, la sostanza di lavoro di un motore quantistico ha caratteristiche quantistiche pronunciate. Il più importante di questi è la discrezione delle possibili energie che può assumere. Ancora più stravagante dal punto di vista classico è il fatto che un sistema quantistico può esistere contemporaneamente in due o più delle sue energie consentite. Questa proprietà, che non ha analoghi classici, è nota come coerenza quantistica. In caso contrario, anche un motore quantistico Otto è caratterizzato da quattro tempi come la sua controparte classica.

Determinare le metriche delle prestazioni del motore quantistico Otto, come la potenza o l'efficienza, è la chiave per migliorare la progettazione e personalizzare le sostanze di lavoro migliori. Una diagnosi diretta di tali metriche richiede la misurazione delle energie del motore all'inizio e alla fine di ogni corsa. Mentre un motore classico è influenzato solo in modo trascurabile dalle misurazioni, nei motori quantistici, l'atto della misurazione stessa provoca un bizzarro effetto di misurazione in cui lo stato quantistico del motore è gravemente influenzato dalla meccanica quantistica. Ancora più importante, qualsiasi coerenza nel sistema alla fine del ciclo verrebbe completamente rimossa dall'effetto della misurazione.

È stato a lungo ritenuto che questi strani effetti indotti dalla misurazione siano irrilevanti per la comprensione dei motori quantistici e quindi siano stati trascurati nella termodinamica quantistica tradizionale. Inoltre, non è stata prestata molta attenzione alla progettazione di protocolli di monitoraggio che forniscano una diagnosi affidabile delle prestazioni del motore alterandolo minimamente.

Tuttavia, la nuova ricerca rivoluzionaria condotta presso il Center for Theoretical Physics of Complex Systems all'interno dell'Institute for Basic Science, in Corea del Sud, potrebbe cambiare questa rigida prospettiva. I ricercatori hanno studiato l'impatto di diversi schemi diagnostici basati su misurazioni sulle prestazioni di un motore Otto quantistico. Inoltre, hanno scoperto un metodo di misurazione minimamente invasivo che preserva la coerenza tra i cicli.

I ricercatori hanno utilizzato il cosiddetto schema dei contatti ripetuti, in cui registrano gli stati del motore utilizzando una sonda ausiliaria e le misurazioni della sonda vengono eseguite solo alla fine dei cicli di lavoro del motore. Ciò evita la necessità di misurare ripetutamente il motore dopo ogni corsa ed evita effetti quantistici indesiderati indotti dalla misurazione, come la rimozione di qualsiasi coerenza che si è accumulata durante il ciclo.

La conservazione della coerenza per tutta la vita del motore ha migliorato le metriche delle prestazioni critiche come la massima potenza erogata e l'affidabilità, rendendo il motore più capace e affidabile. Il Prof. Thingna afferma:"Questo è il primo esempio in cui l'influenza di uno sperimentatore, che vuole sapere se il motore fa ciò per cui è stato progettato, è stata adeguatamente considerata".

Coprendo un ampio spettro di diverse modalità di funzionamento dei motori con una sostanza funzionante avente solo due stati quantici, i ricercatori hanno scoperto che per cicli idealizzati che funzionano in modo infinitamente lento, non fa differenza quale schema di monitoraggio viene applicato. Ma tutti i motori che funzionano in un tempo limitato e quindi sono di interesse pratico, funzionano notevolmente meglio per la loro potenza e affidabilità quando sono monitorati secondo lo schema di contatto ripetuto.

Nel complesso, i ricercatori hanno concluso che la natura delle tecniche di misurazione può avvicinare la teoria ai dati sperimentali. Pertanto, è fondamentale tenere conto di questi fattori durante il monitoraggio e il test dei motori termici quantistici. Questa ricerca è stata pubblicata su Physical Review X Quantum .