Morten Lyhne Petersen
Ett internationellt forskarteam har byggt en kvantmotor som utför två jobb på en gång, den genererar arbete och kyler sin omgivning i samma steg.
Resultaten är publicerade i Physical Review Letters och utmanar den klassiska uppdelningen mellan värmemotorer, som producerar energi, och kylskåp, som kräver energi. I den nya konstruktionen sker båda funktionerna i samma cykel.
Tanken kan liknas vid en bilmotor som samtidigt driver hjulen och håller kupén sval, utan att man behöver koppla in en separat luftkonditionering. På makronivå är det omöjligt. På kvantskalan, visar forskarna, går det.
Så fungerar den omvända värmeströmmen
Bakom effekten ligger ett fenomen som kallas indefinite causal order (ICO), obestämd kausal ordning. I klassisk fysik händer processer i en bestämd följd: först A, sedan B. I ett kvantsystem kan de två ordningarna existera samtidigt i en superposition, styrda av ett så kallat kvantswitch-verktyg.
När två termaliseringssteg körs i den överlagrade ordningen uppstår vad forskarna kallar en anomal värmeström. Systemet kan då ta upp värme från en reservoar som är kallare än det själv, något som strider mot vardagens erfarenhet men som inte bryter mot termodynamikens andra huvudsats, eftersom den kvantmekaniska koherensen bär energikostnaden.
Fenomenet föreslogs först teoretiskt och har experimentellt bekräftats på en fotonisk plattform, där enskilda fotoner fick spela rollen som kvantsystem och kontrollqubit. Mätresultaten stämde med teorin.
Ett kvantsteg utanför läroboken
Studien är ett samarbete mellan Qufu Normal University i Kina, University of Hong Kong och University of Palermo i Italien. Bland författarna finns Qing-Feng Xue, Giulio Chiribella, Rosario Lo Franco och Zhong-Xiao Man.
Enligt Zhong-Xiao Man tillåter ICO att ”två händelser inträffar i en superposition av ordningar”, vilket är själva grunden för att motorn ska kunna arbeta och kyla i samma cykel. Giulio Chiribella framhåller att ”kvantkoherens grundläggande kan förändra värmeutbytet mellan system”, en observation som pekar mot en helt ny klass av termodynamiska maskiner.
Att en motor både kan generera arbete och kyla sin omgivning har hittills betraktats som två uppgifter som kräver två separata apparater. I kvantregimen visar det sig att gränsen är mjukare än den ser ut i läroböcker.
Från labbet till serverhallar och vardagsrum
I sin nuvarande form är kvantmotorn ett experiment i mikroskalan, inte en produkt. Forskarna pekar ut flera användningsområden på lång sikt: kylning av kvantprocessorer, värmehantering i kvantsensorer, nästa generations bildteknik och nanoelektronik.
För svenska förhållanden är just kylning en påtaglig kostnadspost. Datacenter i Sverige förbrukar stora mängder el till att hålla servrarna nere i temperatur under sommaren, och samma logik gäller för de kvantdatorer som svenska universitet och företag håller på att bygga upp. En teknik som producerar arbete och kyler i samma steg skulle på sikt kunna sänka energibehovet i just den typen av installationer.
Vägen dit är dock lång. Nästa steg för forskarna är att undersöka hur motorn beter sig när den tvingas arbeta i ändlig tid, det vill säga med krav på hastighet, effekt och verkningsgrad som liknar dem i en verklig maskin. Frågan om när, eller om, principen kan skalas upp till hemelektronik och klimatanläggningar inom 10 till 15 år är öppen. Det som är avgjort är att den termodynamiska grundskissen från 1800-talet inte längre är hela bilden.
