(Phys.org) —Os motores quânticos são conhecidos por operar de forma diferente - e, em alguns casos, outperform - suas contrapartes clássicas. Contudo, pesquisas anteriores sobre o desempenho de motores quânticos podem estar superestimando suas vantagens. Em um novo estudo, os físicos desenvolveram um método aprimorado para calcular a eficiência dos motores quânticos. Eles mostram que a eficiência final dos sistemas quânticos está sujeita a limites fundamentais mais rígidos do que aqueles impostos pela segunda lei da termodinâmica, que governa a eficiência dos sistemas clássicos.

Os físicos Obinna Abah e Eric Lutz da Universidade Friedrich-Alexander Erlangen-Nürnberg, na Alemanha, publicaram um artigo sobre as máquinas quânticas eficientes em energia em uma edição recente da EPL . Abah é atualmente pesquisador da Comissão Real para a Exposição de 1851 na Queen's University em Belfast, REINO UNIDO.

O desempenho de qualquer tipo de motor - quântico ou clássico - é amplamente determinado por sua eficiência energética (a razão entre a produção de energia e a entrada de energia) e sua potência (a taxa de produção de energia em um determinado tempo). A termodinâmica convencional impõe uma compensação entre a eficiência de um motor e sua potência - ou seja, quando você aumenta um, o outro diminui. Para motores quânticos, Contudo, é possível aumentar a eficiência e a potência ao mesmo tempo. Isso significa que, com os métodos adequados, motores quânticos podem potencialmente produzir mais saída de energia a partir de uma determinada quantidade de entrada de energia, e faça isso em um ritmo mais rápido do que antes da melhoria.

Alguns dos métodos que permitem o aumento simultâneo de eficiência e potência são chamados de técnicas de "atalho para adiabatismo". As transformações adiabáticas são altamente desejáveis ​​porque dissipam pouca energia, que aumenta a eficiência do sistema e acelera a dinâmica do sistema, o que aumenta a saída de energia do sistema. Como o nome indica, atalhos para adiabatismo permitem que as máquinas quânticas imitem a operação adiabática em um tempo muito mais curto do que é possível usando transformações adiabáticas genuínas, que são infinitamente lentos.

Embora pesquisas anteriores tenham demonstrado as vantagens dos atalhos para a adiabatidade para melhorar o desempenho dos motores térmicos, esses métodos normalmente não levam em consideração o custo de energia do protocolo de atalho ao calcular a eficiência final do sistema. Como resultado, as melhorias de eficiência devido a atalhos para adiabatismo parecem ser gratuitas, exagerando seus efeitos.

No novo estudo, Abah e Lutz desenvolveram um método para avaliar o desempenho de um sistema que contabiliza o custo de energia desses atalhos. Seus resultados mostram que os atalhos para adiabatismo aumentam o desempenho de um sistema apenas se o atalho for suficientemente rápido, já que atalhos mais rápidos têm custos de energia mais baixos. Por outro lado, protocolos de atalho muito lentos têm custos de energia mais altos que podem exceder quaisquer ganhos de energia potenciais.

"Nosso trabalho mostra que maior eficiência e maior poder podem ser alcançados ao mesmo tempo com a ajuda de métodos de atalho para adiabaticty, mesmo quando o custo energético do atalho é levado em consideração, "Abah disse Phys.org .

Os físicos também mostraram que existe um limite fundamental para a eficiência de qualquer motor quântico, não importa que tipo de atalhos para adiabatismo ele usa. Surpreendentemente, os limites de um motor quântico são mais rígidos do que os limites impostos pela segunda lei da termodinâmica, que define os limites finais para a eficiência dos motores clássicos.

Como explicam os físicos, a razão para os limites mais rígidos nos motores quânticos é porque a mecânica clássica não impõe restrições à velocidade de um processo, enquanto a mecânica quântica tem restrições de velocidade, que são dados por "limites de velocidade quântica". Os cientistas planejam comparar diferentes métodos de atalho para determinar aquele que leva à máquina com maior eficiência energética. Compreender os limites de velocidade quântica e suas limitações fundamentais em sistemas quânticos é essencial para projetar motores quânticos futuros.

"O advento da miniaturização inevitavelmente levará a máquinas que são tão minúsculas que sua dinâmica geralmente obedece às leis da mecânica quântica em vez das da mecânica clássica, "Abah disse." Suas propriedades serão governadas pela termodinâmica quântica. "

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