Kinesiske forskarar har bygd ein motor som går på kvantemekanikk
Kinesiske vitskapsmenn har konstruert ein prototype på ein motor som korkje treng bensin, hydrogen eller tradisjonell elektrisitet. Drivkrafta kjem frå eit av fysikkens mest gåtefulle fenomen – kvantesamanfiltring.
Dette er ikkje lenger reint lærebokstoff. Det dreier seg om eit fungerande laboratorieeksperiment som begynner å utfordra dei hittil kjende grensene for maskiners effektivitet. Medan vi vanlegvis forbrenner fossile brensel eller sender straum gjennom spoler, handlar dette om noko fundamentalt annleis.
Ei forskargruppe frå Kinesisk Akademi for Vitskapar viser vegen
Ei gruppe forskarar frå Kinesisk Akademi for Vitskapar har i praksis demonstrert at kvantesamanfiltring kan fungera som ei spesifikk energikjelde, der ein maskin kan henta mekanisk arbeid. Dette er eit gjennombrot som kan endra måten vi tenkjer på energi i mikroverdenen.
Kvantesamanfiltring skildrar eit uåtskiljande tilhøve mellom partiklar – endringa av den eine partikkelens tilstand heng augeblikkeleg saman med endringa av den andre, uavhengig av avstand. For lekfolk vert det ofte samanlikna med eit par perfekt synkroniserte myntar: når den eine viser krone, gjer den andre det same på nøyaktig same tidspunkt, utan at nokon fysisk «stiller inn» dei. Forskarane har no valt å nytta denne merkverdige effekten til framdrift.
Motoren som «lever» av kvantesamanfiltring
Laget brukte særskilt førebudde kalsiumionar – einskildatomar som er fråtekne eitt elektron og kan fangast i ein såkalla ionfelle. Dette er eit system av elektriske og magnetiske felt som lèt ionane «sveva» i eit nesten perfekt vakuum, nedkjølt til ekstremt låge temperaturar og isolert frå omgjevnadene.
Ein laser tok over rolla som energikjelde. Forskarane retta strålen mot ionane og kontrollerte kvantetilstandane deira. I ein nøye planlagd sekvens av lasarimpulsar vert ein del av energien overført til ionanes vibrasjonar – bokstaveleg tala deira fram-og-tilbake-rørsle, som kan sjåast på som eit miniatyrstempel. Nøkkelen ligg i kor sterkt ionane er samanfiltra med kvarandre.
Di djupare dei er i samanfiltra tilstand, di meir effektivt vert laserens energi omgjord til rørsle framfor tilfeldig spreiing eller varmetap. Denne kontrollen over kvantetilstandar krev ekstraordinær presisjon, som vert sikra av ultraraske optiske system utvikla i Kinesisk Akademi for Vitskaper sine laboratorium. Forskarane arbeidde med vakuumkammer nedkjølt til temperaturar tett opp mot det absolutte nullpunktet.
Slik fungerer kvantomotoren i praksis
Heile prosessen startar med ein lasarpuls som leverer energi i form av lyskvanta. Styresystemet endrar kvantetilstandane til kalsiumionane i presist definerte intervall. Samanfiltringen mellom ionane koordinerer desse endringane og hindrar kaos. Dei koordinerte endringane vert deretter omgjorde til mekaniske vibrasjonar som kan målast.
Forskarane overvaka rytmen i ionanes svingingar og mengda energi omgjord til ordna rørsle. Dermed kunne dei samanlikna effektiviteten med klassiske system og prøva ut ulike konfigurasjonar. Resultata syner tydeleg at samanfiltring ikkje berre er eit tillegg – han vert den sentrale energikjelda.
Frå laser til mekanisk rørsle går prosessen gjennom fleire steg:
- Lasaren leverer energi i kvantedelar av lys
- Styreelektronikken endrar presist kvantetilstandane til ionane
- Samanfiltringen mellom ionane synkroniserer desse endringane
- Synkroniserte endringar skapar målbare mekaniske vibrasjonar
- Vibrasjonane utgjer motorens nyttige arbeid
- Vakuumkammeret isolerer systemet frå forstyrrande påverknadar
- Kjøleanlegget held temperaturer tett opp mot det absolutte nullpunktet
- Detektorar registrerer kvar endring med nanosekundpresisjon
Laget gjennomførte meir enn ti tusen gjentakingar av forsøket og endra graden av ionanes samanfiltring så vel som laserstrålen sine parametrar. Dataa viste eit tydeleg mønster: di sterkare samanfiltringen var, di meir effektivt fungerte motoren. Forskarane seier det direkte: di sterkare samanfiltring, di høgare er effektiviteten ved omgjering av laserenergi til mekanisk energi.
Ny termodynamikk på atomnivå
Forskinga syner at synet på lovene som styrer maskinar er i ferd med å endra seg. Ein klassisk varmemotor – frå dampmaskinen til gassturbinen – er alltid avgrensa av den såkalla sykluseffektiviteten. Det finst eit øvre tak som ikkje kan overskridast. I kvanteverdenen oppstår moglegheita for å omgå delar av desse avgrensingane takka vere informasjon som er koda inn i partikkelanes tilstandar.
Det handlar ikkje om gratis energi, men om betre utnytting av den energien vi allereie tilfører systemet. På laboratorieskala dreier det seg om mikroskopiske vinstar, men sett frå eit fysikkperspektiv er dette ei alvorleg forskyving av grensa. Forskarane frå Kinesisk Akademi for Vitskapar publiserte resultata i eit prestisjetungt vitskapeleg tidsskrift, der dei peiker på dei praktiske konsekvensane for framtidige teknologiar.
Når kvanteinformasjon vert inkludert i reknestykket, kan dei klassiske effektivitetsgrensene flyttast – men til prisen av ei meir kompleks beskriving av heile prosessen. For den jamne energiforbrukaren er det viktigaste spørsmålet: vil denne teknologien senka rekningar og utslepp? Det er for tidleg å seia noko om. Kvantomotoren er i dag primært eit verkty for betre forståing av korleis naturen forvaltar energi på nivå med einskildpartiklar.
Kva kan kvantomotoren bidra med i kvardagen
Førebels fyller heile systemet nesten eit laboratorium og krev avansert utstyr. Likevel tenkjer fysikarar allereie over kvar denne typen framdrift kan finna bruksområde. Ein naturleg kandidat er kvantecomputerar, som opererer under ekstreme tilhøve og brukar stadig meir energi på kjøling og presis styring av qubitar.
Kvantomotoren vil ikkje raskt erstatta ein dieselbil eller ei vindmølle. Han vert langt meir interessant på mikro- og nanoeiningsnivå, der kvar einskild energimolekyl tel. Ein kan tenkja seg miniaturiserte system som driv element i kvantecomputerar, sensorar med ultrahøg følsemd, medisinske apparat på storleik med ei celle eller presisjonsmekanismar i satellittar.
Viss samanfiltring vert eit praktisk «informasjonsdrivstoff», får ingeniørane ein ny type batteri – ikkje nødvendigvis i klassisk kjemisk forstand, men i energimessig og logisk forstand på éin gong. Universitet i Beijing, Shanghai og andre kinesiske byar er allereie i gang med oppfølgjingsprosjekt som skal stadfesta bruksnytten i reelle kvanteprosesorar. Kinas Vitskapsministerium har sett av betydelege midlar til denne forskinga.
Vert fysikkens gjeldande lover verkeleg skrivne om
I populære skildringar dukkar påstanden ofte opp om at denne typen eksperiment «bryt» termodynamikkens lover. I røynda inkluderer fysikarane kvanteinformasjon i reknestykket – noko vi vanlegvis ikkje tek med i klassiske maskinar. Det vert altså lagt til ein ny komponent i energirekneskapen, og dei gamle formlane strekk ikkje til – ikkje fordi dei er feil, men fordi dei er for forenkla.
Forskarar frå Massachusetts Institute of Technology og University of California, Berkeley har allereie stadfesta liknande resultat i andre kvantesystem. Det viser seg at informasjon har ein målbar energimessig verdi i mikroverdenen. Professor Zhang Wei frå Kinesisk Akademi for Vitskapar forklarar at dei grunnleggjande lovene ikkje endrar seg, men at vår forståing av kva som kan reknast som ei energikjelde, vert utvida.
Samanfiltring ser magisk ut, men han mogeleggjer korkje overføring av informasjon raskare enn lyset eller skaping av energi ut av ingenting. Det kinesiske lagets suksess ligg i at dei demonstrerer ein praktisk bruk av dette fenomenet i ein maskin som utfører målbart arbeid. Det er eit steg som kan bana vegen for ein heil familie av einingar som nyttar seg av liknande prinsipp.
Det viktigaste å vita om samanfiltring og framtidas motorar
Sett frå perspektivet til konvensjonelle energiteknologiar teiknar det seg ein interessant retning: kombinasjonen av klassiske energikjelder som solceller eller brenselsceller med system som på kvantenivå handterer energistyring meir effektivt. Sjølv ei lita effektivitetsstiging i mikroskala, gjenteken i millionar av einingar, kunne gje ein merkbar global effekt.
Viss fleire lag stadfestar resultata, vil dei komande åra truleg bringa eit kappløp om dei beste materiala til ionfeller, nye lasertypar og algoritmar for styring av desse «maskinane av informasjon». Og sjølv om det er svært langt til ein bil med teksten «quantum engine» på panseret, er retninga klar: framtidas energi røyker stadig sterkare mot kvantofysikk og presis forvaltning av kvar einskild bit av røyndommen. Kanskje er det her ei teknologi er i ferd med å bli fødd, som om nokre tiår vil endra måten vi produserer og utnyttar energi på i dei minste einingane rundt oss.
