Motores térmicos são dispositivos que usam calor residual para realizar trabalho mecânico e gerar energia. A invenção dos motores térmicos inaugurou uma era da revolução industrial há 250 anos. O motor Otto, que usa tempos distintos de calor e trabalho, alimenta quase todos os automóveis e é um padrão da indústria devido à sua potência e eficiência relativamente altas. Em um motor Otto, uma substância de trabalho é tipicamente um gás confinado a um pistão, que sofre quatro movimentos subsequentes:primeiro é comprimido, depois aquecido, expandido e finalmente resfriado até sua temperatura inicial.
Hoje, avanços significativos na nanofabricação trazem os motores de calor quânticos para o centro das atenções. Como suas contrapartes clássicas, os motores quânticos de calor podem ser operados em contextos que podem ser contínuos ou cíclicos. Ao contrário dos motores clássicos, que usam uma quantidade macroscópica da substância de trabalho, a substância de trabalho de um motor quântico tem características quânticas pronunciadas. A mais proeminente delas é a discrição das energias possíveis que ela pode tomar. Ainda mais estranho do ponto de vista clássico é o fato de que um sistema quântico pode existir em duas ou mais de suas energias permitidas ao mesmo tempo. Essa propriedade, que não possui análogo clássico, é conhecida como coerência quântica. Caso contrário, um motor quântico Otto também é caracterizado por quatro tempos como sua contraparte clássica.

Determinar as métricas de desempenho do motor quântico Otto, como potência ou eficiência, é a chave para melhorar o design e adaptar as melhores substâncias de trabalho. Um diagnóstico direto de tais métricas requer a medição das energias do motor no início e no final de cada curso. Enquanto um motor clássico é apenas insignificantemente afetado por medições, em motores quânticos, o ato da medição em si causa um efeito de medição bizarro no qual o estado quântico do motor é severamente afetado pela mecânica quântica. Mais importante ainda, qualquer coerência no sistema no final do ciclo seria completamente removida pelo efeito de medição.

Há muito se acredita que esses estranhos efeitos induzidos por medições são irrelevantes para a compreensão dos motores quânticos e, portanto, foram negligenciados na termodinâmica quântica tradicional. Além disso, não se pensou muito no projeto de protocolos de monitoramento que produzam um diagnóstico confiável do desempenho do motor, alterando-o minimamente.

No entanto, novas pesquisas inovadoras realizadas no Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos do Instituto de Ciências Básicas da Coréia do Sul podem mudar essa perspectiva rígida. Os pesquisadores investigaram o impacto de diferentes esquemas de diagnóstico baseados em medição no desempenho de um motor quântico Otto. Além disso, eles descobriram um método de medição minimamente invasivo que preserva a coerência entre os ciclos.

Os pesquisadores utilizaram o chamado esquema de contatos repetidos, onde registram os estados do motor usando uma sonda auxiliar, e as medições da sonda são realizadas apenas no final dos ciclos de trabalho do motor. Isso evita a necessidade de medir o motor repetidamente após cada curso e evita efeitos quânticos indesejáveis ​​induzidos pela medição, como a remoção de qualquer coerência que foi construída durante o ciclo.

A preservação da coerência ao longo da vida útil do motor melhorou as métricas críticas de desempenho, como a potência máxima e a confiabilidade, tornando o motor mais capaz e confiável. Prof. Thingna diz:"Este é o primeiro exemplo em que a influência de um experimentador, que quer saber se o motor faz o que foi projetado para fazer, foi devidamente considerada."

Cobrindo um amplo espectro de diferentes modos de operação de motores com uma substância de trabalho com apenas dois estados quânticos, os pesquisadores descobriram que, para ciclos idealizados que funcionam infinitamente lentamente, não faz diferença qual esquema de monitoramento é aplicado. Mas todos os motores que funcionam em tempo finito e, portanto, são de interesse prático, funcionam consideravelmente melhor para sua potência e confiabilidade quando são monitorados de acordo com o esquema de contato repetido.

No geral, os pesquisadores concluíram que a natureza das técnicas de medição pode aproximar a teoria dos dados experimentais. Portanto, é vital levar esses fatores em consideração ao monitorar e testar motores térmicos quânticos. Esta pesquisa foi publicada na Physical Review X Quantum .