Fysikere bryter termodynamikkens grenser: Denne motoren produserer strøm og kjøler omgivelsene samtidig

En internasjonal forskergruppe har bygget en kvantemekanisk motor som produserer nyttig arbeid og senker temperaturen i omgivelsene i samme prosess. I klassisk termodynamikk krever de to funksjonene hvert sitt separate apparat, en generator og et kjøleaggregat.

Forskningen er tilgjengelig som preprint på arXiv og er omtalt av vitenskapsnettstedet Phys.org. Bak arbeidet står forskere fra Qufu Normal University i Kina, Universitetet i Hong Kong og Universitetet i Palermo.

Selve gjennombruddet ligger i et fenomen som kalles ubestemt kausal orden, på engelsk indefinite causal order. Kort forklart lar kvantemekanikken to hendelser skje i en superposisjon av rekkefølger, altså både «A før B» og «B før A» på én gang, i stedet for én av delene.

Slik snur maskinen på varmestrømmen

I en vanlig varmemotor flyter energi bare én vei: fra en varm kilde til en kald. Den kinesisk-italienske gruppen viser at det ikke lenger holder når kvantemekanikken slipper til.

«Ubestemt kausal orden gjør at to hendelser kan skje i en superposisjon av rekkefølger», forklarer medforfatter Zhong-Xiao Man fra Qufu Normal University til vitenskapsnettstedet Phys.org. «To termiske prosesser kan opptre i en superposisjon av forskjellige rekkefølger. Det skaper en uvanlig varmestrøm.»

Effekten er testet på to fotoniske oppsett, altså apparater der informasjon bæres av enkeltfotoner. Der demonstrerte forskerne at varme i visse tilfeller kan bevege seg fra kaldere til varmere legemer, stikk i strid med det læreboken sier.

Den ubestemte rekkefølgen brukes så til å drive en kvantemekanisk utgave av en Otto-syklus, den samme grunnmodellen som bensinmotorer bygger på. Resultatet er én maskin som samtidig leverer arbeid og kjøling.

Ingen brudd med termodynamikkens lover

For lesere som allerede så for seg en evighetsmaskin: den kommer ikke. Effekten bryter ikke termodynamikkens andre lov, men er en konsekvens av de kvantekorrelasjonene som oppstår mellom systemet og den såkalte kvantesvitsjen som styrer rekkefølgen.

Med andre ord: motoren betaler for den unormale varmestrømmen med kvanteinformasjon, ikke med gratis energi.

Fra laboratoriet til datasenter og sensorer

Foreløpig er dette et laboratorieoppsett med fotoner, ikke noe du kan sette i kjøleskapet. Men forskerne peker på flere realistiske bruksområder på sikt.

Teknologien kan brukes til å kjøle kvantemaskiner mens de kjøres, og til varmehåndtering i kvantesensorer, nye typer bildeapparater og elektronikk på nanoskala. Alle disse feltene sliter i dag med at kvantekomponentene må holdes kalde, noe som gjør kjølingen både strømkrevende og plasskrevende.

Medforfatter Rosario Lo Franco fra Universitetet i Palermo signaliserer at det neste steget er å studere hvordan systemet oppfører seg med målinger og kontroll i endelig tid, altså under de begrensningene som gjelder for reelle apparater.

Veien fra en fotonisk demonstrasjon i et lite oppsett til et produkt i et datasenter er lang, og forfatterne peker selv på at praktiske ytelsestall og eventuelle avveininger fortsatt må kartlegges.