Ионный кубит заставили работать по циклу Стирлинга

Физики создали квантовый аналог двигателя Стирлинга на ионном кубите и зафиксировали участие когерентности в его работе. Ученые повысили эффективность квантового двигателя с 18 до 20 процентов благодаря дефазировке системы при изотермическом сжатии и изохорном охлаждении, частично подавив флуктуации населенностей двухуровневой системы. Разработка поможет в подробном изучении квантовой термодинамики, считают авторы статьи, опубликованной в журнале Physical Review A.

В школе на уроках физики обязательно рассказывают про цикл Карно — круговой термодинамический процесс, состоящий из двух адиабат и двух изотерм, который выполняет механическую работу за счет контакта с двумя тепловыми резервуарами разных температур. При этом есть еще много способов получения полезной энергии из замкнутого термодинамического процесса: например, цикл Отто (две адиабаты и две изохоры) или цикл Стирлинга (две изотермы и две изохоры). Каждый из них имеет свои преимущества, зависящие в основном от технической платформы, на которой цикл пытаются реализовать.

Если можно извлечь работу из взаимодействия макроскопических тел, то логично предположить, что и на основе квантовых объектов получится создать аналогичные системы. При этом можно использовать еще и недоступные в классической физике эффекты (например, декогеренцию), чтобы повысить КПД квантово-тепловых двигателей. И ученые с этим справились: они уже продемонстрировали тепловой квантовый двигатель, работающий по циклу Отто, а также приблизили эффективность фотонного варианта к ста процентам. Однако до сегодняшнего дня подобный тепловой двигатель на основе классического цикла Стирлинга физики исследовали лишь теоретически — экспериментально реализовать изотермический процесс с кубитом довольно проблематично из-за влияния окружающей среды.

Чжан Цзянь-Ци (Jian-Qi Zhang) из Уханьского института физики и математики совместно с коллегами из Китая и США продемонстрировал квантовый аналог двигателя Стирлинга на ионном кубите и повысил его эффективность, избавившись от когерентности системы с помощью управляемой дефазировки.

Для этого ученые поместили ультрахолодный ион кальция в ловушку и облучили двумя лазерами с длинами волн 729 и 854 нанометра, чтобы свести систему к двухуровневой и использовать ее в качестве кубита. В основе эксперимента физики выделили три основных параметра: энергетический зазор между состояниями |e⟩ и |g⟩, а также их населенности. Это помогло описать изохорный процесс как изменение населенностей при постоянном энергетическом зазоре, а изотермический — как изменение всех трех параметров, но при условии постоянства эффективной температуры, которая равна отношению энергетического зазора к разности логарифмов населенностей. С технической точки зрения авторы работы осуществили цикл Стирлинга с помощью двух тепловых резервуаров — горячего и холодного, в роли которых выступили лазеры с разными мощностями (эффективные температуры этих резервуаров составили 0,56 микрокельвина для холодного и 0,98 микрокельвина для горячего).

Во время эксперимента ученые заметили флуктуации населенностей, которые, в свою очередь, привели к колебаниям в процессах поглощения тепла, что физики связали с проявлением когерентности в системе. Чтобы подтвердить этот факт, исследователи подвергли кубит дефазировке с помощью генератора белого шума: во время изохорного охлаждения и изотермического сжатия дефазировка подавила флуктуации населенностей и уменьшила паразитные потери тепла в цикле — такой способ увеличил КПД квантового двигателя с 18 до 20 процентов.

Авторы работы также предположили, что благодаря явному влиянию когерентности на характеристики квантового двигателя, их модификация классического варианта Стирлинга отлично подходит для дальнейшего изучения квантовой термодинамики.

Подробнее о перспективах квантовых аналогов термодинамических циклов и их особенностях мы писали в материале «Двигатель квантового сгорания».