موتورهای کوانتومی نسبت به همتایان کلاسیک‌شان، بسیار شگفت‌انگیزند. مطالعه‌ی عملکرد موتورهای کوانتومی نشان داده آنها می‌توانند مزایای بسیار زیادی نسبت به موتورهای کلاسیکی داشته باشند. حالا فیزیکدانان، یک روش بهبودیافته برای محاسبه‌ی بازده موتورهای کوانتومی توسعه داده‌اند. آنها نشان داده‌اند بازده نهایی سیستم‌های کوانتومی به محدودیت‌های بنیادی محکم‌تر از قانون دوم ترمودینامیک، مربوط است. نتایج این پژوهش که توسط فیزیکدانان دانشگاه ارلانگن-نورنبرگ آلمان انجام شد، در آخرین شماره مجله Europhysics Letters منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…
عملکرد همه‌ی موتورها، اعم از کلاسیکی یا کوانتومی، با بازده انرژی (نسبت خروجی انرژی به ورودی انرژی) و توانش (سرعت خروجی انرژی در یک بازه‌ی زمانی) تعیین می شود. در ترمودینامیک سنتی، بین بازده موتور و توان آن، یک تعادل یا مصالحه وجود دارد، یعنی با افزایش یکی از این دو عامل، دیگری کاهش می‌یابد، اما در مورد موتورهای کوانتومی ، افزایش بازده و توان به طور همزمان، امکان‌پذیر است! این بدان معناست که موتورهای کوانتومی با روش‌های عادی می‌توانند خروجی انرژی بیشتری تولید کنند.
برخی از روش‌هایی که امکان افزایش همزمان بهره‌وری و توان را می‌دهند، روش‌های میانبر به بی دررُویی (shortcut-to-adiabaticity) نام دارند. تبدیل‌های بی دررو یا آدیاباتیک، بسیار مطلوب هستند، زیرا انرژی کمی را تلف کرده و در نتیجه، بهره‌وری، سرعت دینامیک و توان سیستم را بالا می‌برند. روش‌های میانبر به بی دررویی، همانطور که از نامشان پیداست، به ماشین‌های کوانتومی اجازه می‌دهند تا عملکرد بی دررو را در زمانی بسیار کوتاه‌تر از چیزی که با استفاده از تبدیلات بی درروی واقعی امکان‌پذیر است، انجام دهند.
اگرچه در پژوهش‌های قبلی، مزایای میانبر به بی دررویی برای بهبود عملکرد موتورهای گرمایی ثابت شده بود، اما این روش‌ها، هزینه انرژی روش میانبر را در محاسبه‌ی بازده نهایی سیستم، درنظر نمی‌گرفتند، در نتیجه به نظر می‌رسید بهبود بازده ناشی از میانبر به بی دررویی، بدون هزینه باشد که همین امر اثر آنها را بسیار بزرگ جلوه می‌داد. حالا دانشمندان در این پژوهش، روشی برای ارزیابی عملکرد سیستم پیشنهاد دادند که میانبرهای را در محاسبه‌ی هزینه انرژی درنظر می‌گیرد. این نتایج نشان می‌دهد که میانبر به بی دررویی، عملکرد یک سیستم را فقط در صورتی که میانبر واقعا سریع باشد، افزایش می‌دهد، زیرا میانبرهای سریع تر، هزینه‌ی انرژی کمتری دارند. محققان می‌گویند:
کار ما نشان می‌دهد می‌توان بازده و توان بالاتر را به طور همزمان و با کمک روش‌های میانبر به بی دررویی بدست آورد، حتی زمانیکه هزینه میانبر را درنظر بگیریم.
از طرفی فیزیکدانان نشان دادند یک حد بنیادی برای بازده موتورهای کوانتومی وجود دارد، مهم نیست چه نوع میانبری به بی دررویی استفاده می‌شود. جالب آنکه محدودیت‌های یک موتور کوانتومی، سخت‌تر از محدودیت‌های تحمیل‌شده توسط قانون دوم ترمودینامیک است. آنطور که فیزیکدانان توضیح می‌دهند، دلیل محدودیت‌های سخت‌تر روی موتورهای کوانتومی، این است که مکانیک کلاسیکی، برای سرعت یک فرآیند، محدودیت ندارد، در حالیکه مکانیک کوانتومی، دارای چنین محدودیت‌هایی است. دانشمندان می‌خواهند روش‌های میانبر متفاوتی را بیابند که منجر به ماشینی با بالاترین بازده شود. درک محدودیت‌های بنیادی سیستم‌های کوانتومی، برای طراحی موتورهای کوانتومی آینده، ضروری است. دانشمندان می‌گویند:
مینیاتوری کردن ماشین‌ها منجر به تولید ماشین‌های بسیار ریزی می‌شود که دینامیک آنها از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند، قلمرویی که ترمودینامیک کوانتومی در آن حکمرانی می‌کند…
گفتگو۲ دیدگاه
سلام خدمت سرکار خانم دکتر ریاحی ، از مقالات ارزشمند و پر بار شما سپاسگزارم ،از مطالب شان بهره مند شدم و عالی بودند. لطفا” درمورد ابر شاره نیز اطلاعتی دارید درسایت قرار دهید.متشکرم
سلام. مثل همیشه اخرین و معتبر ترین اخبار علمی را در وب سایت شما می توان ملاحظه کرد. از این بابت بسیار سپاسگزارم.چند سال پیش در مقاله ای که خواندم، نویسنده، محاسبه بازده موتورهای مولکولی (پروتئینی) داخل سلول را حدود ۸۵ درصد و حتی تا ۱۰۰ درصد تخمین زده بود، این گونه محاسبات نشان دادند که قانون دوم ترمودینامیک صرفاً قانونی است که در مورد مجموعه آماری از ذرات و نه تعداد کم ذرات برقرار است. حتی پوآنکاره سالها قبل حرکت براونی ( انجام کار بر روی ذرات منفرد بدون وجود دو منبع گرمائی سرد و گرم) را دلیلی بر نقض قانون دوم ترمودینامیک در مورد ذرات منفرد دانست. اینکه این تحقیقات منجر به ساخت موتورهای کوانتمی خواهد شد هم از لحاظ فن آوری و هم از لحاظ بنیادی بسیار حائز اهمیت است و مطمئناً به یکی از موضوعات اصلی پژوهشی تبدیل خواهد شد.