Οι κβαντικές μετρήσεις θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν έναν μικροσκοπικό, υπεραποδοτικό κινητήρα

Δεν μπορείς να μετρήσεις ένα άτομο χωρίς να το διαταράξεις, τουλάχιστον σύμφωνα με την κβαντομηχανική. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να φαίνεται ενοχλητικό, αλλά θα μπορούσε να τροφοδοτήσει έναν μικροσκοπικό κινητήρα που θα μπορούσε να λειτουργεί με σχεδόν 100% απόδοση - πολύ μεγαλύτερη από έναν κινητήρα αυτοκινήτου, αναφέρει ένα ζευγάρι φυσικών. Προς το παρόν, η "μηχανή μέτρησης" είναι καθαρά υποθετική, αλλά οι φυσικοί λένε ότι μπορεί να είναι πραγματικά δυνατό να κατασκευαστεί.

«Είναι μια πολύ ωραία ιδέα», λέει ο David Herrera Martí, φυσικός στην ProbaYes, μια εταιρεία τεχνητής νοημοσύνης στο Montbonnot-Saint-Martin της Γαλλίας, που επενδύει στον κβαντικό υπολογιστή. "Θα μπορούσατε να φανταστείτε ότι έχετε ένα σμήνος από μικρές μοριακές μηχανές που οδηγούνται πολύ αποτελεσματικά με λέιζερ."

Ένας κινητήρας είναι ένα μηχάνημα που επαναλαμβάνει έναν κύκλο κινήσεων για να μετατρέψει την ενέργεια σε χρήσιμη εργασία—όπως σπρώχνοντας το αυτοκίνητό σας στο δρόμο. Οι περισσότεροι κινητήρες προσλαμβάνουν θερμική ενέργεια από ένα "ζεστό λουτρό" — στον κινητήρα του αυτοκινήτου σας, τα καυτά αέρια που παράγονται από το καύσιμο που εκρήγνυται. Για να συνεχίσει να πιέζει, ένας κινητήρας πρέπει επανειλημμένα να επιστρέψει στην αρχική του διαμόρφωση και στη διαδικασία, πρέπει να χάσει λίγη θερμότητα σε ένα «κρύο μπάνιο»—για το αυτοκίνητό σας, το περιβάλλον. Απαιτείται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ότι η αναπόφευκτη σπατάλη ενέργειας περιορίζει σοβαρά την απόδοση μιας θερμικής μηχανής κάτω από ένα επίπεδο που ορίζεται από τις θερμοκρασίες των λουτρών. Ένα τυπικό αυτοκίνητο μετατρέπει περίπου το 25% της ενέργειας της βενζίνης σε κίνηση.

Ωστόσο, στο κβαντικό βασίλειο του πολύ μικρού, ένας κινητήρας μπορεί να τροφοδοτήσει μια διαφορετική πηγή ενέργειας - την ενέργεια που απαιτείται για τη μέτρηση της θέσης ενός μικροσκοπικού σωματιδίου - και να τη χρησιμοποιήσει με σχεδόν πλήρη απόδοση, λένε οι Cyril Elouard και Andrew Jordan του Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ στη Νέα Υόρκη. Οι δυο τους έχουν επινοήσει ένα σχέδιο που θα μπορούσε, για παράδειγμα, να ανυψώσει ένα σωματίδιο ενάντια στην έλξη της βαρύτητας απλώς προσπαθώντας να μετρήσει τη θέση του ξανά και ξανά.

Φανταστείτε μια μπάλα μπόουλινγκ να κάθεται στο πάτωμα ενός ασανσέρ. Όσες φορές και να το δεις, η θέση του θα παραμείνει σίγουρη. Αλλά συρρικνώστε την μπάλα του μπόουλινγκ, ας πούμε, σε ένα μόνο νετρόνιο σε μικροσκοπική κινητή πλατφόρμα, και η κβαντομηχανική αλλάζει την εικόνα δραματικά. Επειδή το νετρόνιο είναι τόσο μικρό, η θέση του δεν μπορεί πλέον να προβλεφθεί ακριβώς. Αντίθετα, το νετρόνιο πρέπει να περιγραφεί από ένα διάχυτο κβαντικό κύμα που δίνει την πιθανότητα να το βρούμε σε διαφορετικά σημεία. Το κβαντικό κύμα μοιάζει λίγο με ένα σύννεφο που αιωρείται πάνω από την πλατφόρμα, πυκνό κοντά στην πλατφόρμα όπου είναι πιθανό να βρίσκεται το νετρόνιο και λεπτό ψηλότερα. Μόλις γίνει η μέτρηση, η θέση του νετρονίου γίνεται γνωστή.

Εκμεταλλευόμενοι τη φύση είτε-ή είτε των κβαντικών μετρήσεων, οι Elouard και Jordan οραματίζονται να μετρήσουν εάν το νετρόνιο αιωρείται σε μια καθορισμένη απόσταση πάνω από την πλατφόρμα ή αν είναι πιο ψηλά. Εάν το νετρόνιο βρίσκεται εντός της στενής ζώνης, αφήνουν την πλατφόρμα ήσυχη. Εάν το νετρόνιο βρίσκεται εκτός αυτής της στενής ζώνης, κινούνται προς τα πάνω στην πλατφόρμα με την ίδια καθορισμένη απόσταση, ουσιαστικά πιάνοντας το νετρόνιο προτού η βαρύτητα το τραβήξει πίσω προς τα κάτω. Η επανάληψη της διαδικασίας σταδιακά ανυψώνει το νετρόνιο ενάντια στη βαρύτητα, αναφέρουν οι ερευνητές σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters . Περιέργως, η ίδια η πλατφόρμα δεν ασκεί ποτέ δύναμη για να ανυψώσει το νετρόνιο. Αντίθετα, η ενέργεια για την ανύψωση του νετρονίου προέρχεται από την ίδια τη μέτρηση.

Υπάρχει, όμως, ένα πιάσιμο. Η μέτρηση αλλάζει επίσης το κβαντικό κύμα του νετρονίου. Και η μέτρηση εάν το νετρόνιο βρίσκεται ή όχι κοντά στην πλατφόρμα, χάνεται το μισό του αρχικού κύματος. Αυτή η τροποποίηση σιδηροπρίονο απαιτεί πολλή ενέργεια. Επιπλέον, για να προετοιμαστεί για τον επόμενο κύκλο του κινητήρα, αυτό το οδοντωτό κύμα πρέπει να "χαλαρώσει" πίσω στο αρχικό ομαλό σχήμα, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να χάσει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που απορρόφησε στο περιβάλλον του. Αυτά τα δύο αποτελέσματα καταστρέφουν την απόδοση του κινητήρα.

Για να αποφύγουν τέτοιες απώλειες, οι Elouard και Jordan χρησιμοποιούν ένα τελευταίο βασικό συστατικό:λιγότερο κατατοπιστικές μετρήσεις. Φαντάζονται ότι αλλάζουν τη μέτρηση έτσι ώστε ο ορισμός του "έξω" να παραμείνει ο ίδιος - το νετρόνιο βρίσκεται πέρα ​​από τη σταθερή απόσταση από την πλατφόρμα. Αλλά ο ορισμός του "in" γίνεται πιο ασαφής:Σημαίνει μόνο ότι το σωματίδιο βρίσκεται σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση από την επιφάνεια. Εάν το νετρόνιο βρίσκεται διφορούμενα μεταξύ των δύο ορίων, μια κβαντική μέτρηση θα δώσει τυχαία είτε "έξω" ή "μέσα".

Παραδόξως, η λιγότερο σίγουρη μέτρηση παρέχει ένα μεγάλο μπόνους. Συντονίστε τα πράγματα σωστά και όταν η μέτρηση λέει "in", αφήνει το κβαντικό κύμα του νετρονίου σχεδόν αμετάβλητο. Όταν λέει "έξω", η μέτρηση αφήνει το νετρόνιο σε ένα κύμα σχεδόν πανομοιότυπο με το αρχικό κύμα, αλλά μετατοπίζεται προς τα πάνω. Είναι σημαντικό ότι αυτά τα δύο επικαλυπτόμενα κύματα μοιάζουν τόσο πολύ με το αρχικό που, ανεξάρτητα από το αποτέλεσμα, πολύ λίγη ενέργεια χάνεται στη χαλάρωση και το νετρόνιο είναι έτοιμο να ξεκινήσει τον επόμενο κύκλο. "Αυτό είναι το πιο έξυπνο κομμάτι", λέει ο Herrera Martí.

Ο κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει με απόδοση έως και 99,8%, υπολογίζουν οι Elouard και Jordan. Μπορεί να είναι δυνατή η κατασκευή ενός τέτοιου κινητήρα, λέει ο Jordan. «Δεν θα λειτουργούσατε μια ατμομηχανή με αυτό», λέει, «αλλά θα μπορούσατε να λειτουργήσετε ένα άτομο ή ένα μόριο». Τι θα ήταν καλό για ένα τέτοιο μηχάνημα μένει να φανεί, ωστόσο.

Φυσικά, υπάρχουν συμβιβασμούς. Η χρήση των λιγότερο συγκεκριμένων μετρήσεων απαιτεί πολλούς περισσότερους κύκλους για την ανύψωση του νετρονίου. Έτσι, η κβαντική μηχανή μέτρησης, ενώ είναι αποτελεσματική, κάνει τη δουλειά της αργά. Τελικά, ούτε ο κινητήρας μπορεί να αποφύγει τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, σημειώνει ο Herrera Martí. Αν και οι ερευνητές δεν προσδιορίζουν τη συσκευή μέτρησής τους, πρέπει να είναι μια μακροσκοπική μηχανή που θα πρέπει να σπαταλήσει ενέργεια, λέει. Ωστόσο, η μηχανή μέτρησης έβαλε ένα νέο εργαλείο στην εργαλειοθήκη του κβαντομηχανικού.