Главная / Технологии / Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

Проведены исследования по созданию одноатомного квантового устройства преобразования энергии, работающего как двигатель или холодильник, связанный с квантовой нагрузкой. Такое устройство может быть встроено в будущие компьютеры и топливные элементы для управления потоками энергии.

По мере того, как электронные устройства становятся все меньше, технология систем, которые обеспечивают их работу, тоже должны становиться все меньше и тоньше. Одной из ключевых задач, стоящих перед учеными при разработке этой технологии, является поиск материалов, которые могут хорошо работать при ультрамалых размерах.

Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

Люди создали большие тепловые двигатели, прежде чем использовать один атом, одну молекулу и дефекты в алмазе.

Эксперименты с одноатомным устройством помогают исследователям понять, какие квантовые эффекты проявляются, когда механизм сокращается до атомного масштаба и определить область его применения.

И вот новая глава в истории миниатюризации машин: исследователи в лаборатории в Сингапуре показали, что один атом может функционировать как двигатель или холодильник. Такое устройство может быть встроено в будущие компьютеры и топливные элементы для управления потоками энергии.

Перспективные исследования наноразмерных устройств

Наше зеленое будущее может опираться на устройства преобразования энергии в масштабах и температурах, где квантовые эффекты становятся актуальными или даже доминирующими. Таким образом, наноразмерные тепловые двигатели и холодильники являются особо перспективным направлением исследований. Чтобы проложить путь к технологическим прорывам, исследователи определили ряд фундаментальных вопросов, даже исследуя обоснованность и уместность термодинамических концепций на наноуровне.

Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

В любом режиме работы квантовые эффекты проявляются в корреляциях между электронными состояниями атома и колебаниями. При таких масштабах передача энергии между двигателем и нагрузкой немного размыта. Нечеткость делает процесс менее эффективным, но экспериментаторы все, же могут заставить его работать.

Действительно, в последние годы были проведены плодотворные исследования, посвященные изучению влияния дискретности уровней энергии, квантовой статистики, квантовой адиабатичности, квантовых измерений, когерентности и запутанности на работу циклов тепловых двигателей в различных экспериментальных установках, включая захваченные ионы, вакансии азота, трансмонитные кубиты и более. Модели квантовых тепловых двигателей также использовались в качестве платформы для исследования термодинамики, лежащей в основе преобразования энергии в наноразмерном диапазоне за предел слабой связи или при наличии корреляции между двигателем и нагрузкой. Приложения квантовой термодинамики, и в частности охлаждения, были исследованы в области квантовых вычислений.

Сингапурскими учеными проведены исследования по созданию одноатомного квантового устройства преобразования энергии, работающего как двигатель или холодильник, связанный с квантовой нагрузкой. «Рабочая жидкость» состоит из двух оптических уровней иона, а нагрузка является одной из его колебательных мод, охлажденных до квантового режима. Определена эрготропия нагрузки, которая указывает максимальное количество энергии нагрузки, извлекаемой с использованием только унитарных операций. Установлено, что эрготропия возрастает с увеличением количества циклов двигателя, несмотря на увеличение информационной энтропии нагрузки. Увеличение эрготропии нагрузки указывает на возможность использования фононного распределения одного атома в качестве формы квантовой батареи.

«Подумайте о том, как в вашем компьютере или ноутбуке есть много вещей, которые нагреваются. Сегодня вы охлаждаете это с помощью вентилятора, который выдувает воздух. В наномашинах или квантовых компьютерах небольшие устройства, которые охлаждают, могут быть чем-то полезным», — говорит Дарио Полетти из Сингапурского университета технологий и дизайна (SUTD).

Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

Ученые использовали атом бария, из которого удален электрон (отрицательный заряд). Это делает атом положительно заряженным, так что его легче удерживать внутри металлической камеры с помощью электрических полей. Весь остальной воздух удаляется вокруг него. Затем атом защелкивается лазерами, чтобы продвинуть его через четырехступенчатый цикл.

Термодинамика на квантовом уровне

Выполненная работа дает новое понимание механики наномашин. Работа представляет собой сотрудничество с участием исследователей из Центра квантовых технологий (CQT) и физического факультета Национального университета Сингапура (NUS), SUTD и Университета Аугсбурга в Германии.

Двигатели и холодильники — это машины, описываемые термодинамикой, отраслью науки, которая говорит нам, как энергия движется в системе и как мы можем извлечь полезную работу. Классический двигатель превращает энергию в полезную работу. Холодильник работает для передачи тепла, снижая местную температуру. В некотором смысле они противоположны.

Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

Понимание машины размером с атом состояло из сложных вычислений и наблюдений. Команде нужно было отследить две термодинамические величины, известные как эрготропия, то есть энергия, которая может быть преобразована в полезную работу, и энтропия, которая связана с беспорядком в системе. Эрготропия и энтропия возрастают при работе атома. Есть все еще простой способ смотреть на это, грубо говоря, они разработали небольшую машину, которая создает энтропию, поскольку она наполняется свободной энергией.

Ключевым отличием этого устройства является то, что оно демонстрирует квантовость в своем действии. «Мы хотим понять, как мы можем создавать термодинамические устройства с несколькими атомами. Физика не совсем понятна, поэтому нашей работе важно знать, что возможно», — говорит Манас Мукерджи, главный исследователь CQT, NUS, который возглавлял экспериментальная работа.

Исследователи изучили термодинамику одного атома бария. Они разработали схему, в которой лазеры перемещают один из электронов атома между двумя энергетическими уровнями как часть цикла, заставляя некоторую энергию обеспечивать вибрации атома. Подобно тому, как автомобильный двигатель потребляет бензин для перемещения поршней, так и атом использует энергию лазеров в качестве «топлива» для увеличения своего вибрирующего движения. Вибрации атома действуют как батарея, сохраняя энергию, которая может быть извлечена позже. Переставьте цикл, и атом действует как холодильник, удаляя энергию за счет вибраций.

Исследователи измерили вибрацию атома после применения от 2 до 15 циклов. Они повторяли заданное количество циклов до 150 раз, измеряя в среднем, сколько энергии вибрации присутствовало в конце. Они могли видеть вибрационную энергию, увеличивающуюся, когда атом двигался с помощью цикла двигателя, и уменьшающуюся, когда скачки следовали за циклом холодильника.

Двигатель размером с атом управляет потоками энергии с квантовой нагрузкой

Команда физиков создала самый маленький работающий двигатель в мире из одного электрически заряженного атома

Исследования продолжаются

Это прорывное исследование, ставшее ранее лишь предположением великого физика Ричарда Фейнмана, который представлял крошечные двигатели, работающие на одноатомном уровне, является воплощением этой фантастической мечты. Но более того, новое устройство может найти целый ряд инновационных практических применений, например, в одноионных холодильниках и насосах (в частности, поскольку процесс может быть обращен вспять для отвода тепла).

С точки зрения квантовой физики, система могла бы — с несколькими соответствующими модификациями — позволять изучать небольшие квантовые машины и исследовать квантовые эффекты в термодинамике, такие как квантовая когерентность (такая, как описанная в квантовых системах переноса энергии), а также обеспечение средств для проверки предсказаний квантовой теории ресурсов.

Экспериментальные исследования циклов квантового двигателя призваны четко оценить соответствие либо отсутствие циклов между классическим и квантовым термодинамическими циклами двигателя.

Одним из важных направлений исследований является то, как охарактеризовать термодинамические свойства квантового двигателя, работающего в общем сценарии, например, когда двигатель и нагрузка сильно связаны, и / или когда используемые ванны не являются тепловыми. Эта экспериментальная работа направлена на то, чтобы установить важный рубеж в понимании циклов преобразования энергии в один атом, действующих на квантовую нагрузку.

Смотрите также

AMD покупает конкурента

AMD покупает конкурента

Американский производитель чипов AMD купит своего конкурента Xilinx за $35 млрд,Сделка будет полностью оплачена акциями AMD, закрыть ее планируют в конце 2021 г.

По условиям соглашения, акционеры Xilinx получат 1,7234 акции AMD за каждую акцию Xilinx, это примерно $143 за бумагу. После завершения сделки, им будет принадлежать 26% объединенной компании, которая будет стоить $135 млрд.

Руководить объединенной компанией будет гендиректор AMD Лиза Су. Гендиректор Xilinx Виктор Пэн займет пост президента, отвечающего за бизнес Xilinx и инициативы по стратегическому росту. Кроме того, как минимум два кресла в совете директоров AMD займут выходцы из Xilinx.

AMD покупает конкурента

AMD — один из крупнейших производителей центральных процессоров, графических процессоров, материнских плат и чипсетов для них. В частности, компания разрабатывает чипсеты для новых игровых консолей Xbox Series X и PlayStation 5. Сделка с Xilinx позволит AMD усилить борьбу с Intel за долю рынка чипов, используемых в дата-центрах,отмечаетFinancial Times.

На рынке чипов в последние месяцы было совершено несколько крупных сделок, напоминает газета: NVIDIA объявила о покупке Arm за $40 млрд, Analog Devices — о покупке Maxim Integrated Products примерно за $20 млрд. Эта череда сделок вызвана стремлением крупных производителей чипов расширить свой бизнес, чтобы доминировать в секторе 5G и «интернета вещей», а также продолжающимся переходом IT-индустрии к облачным вычислениям.

AMD покупает конкурента

Американский производитель чипов AMD купит своего конкурента Xilinx за $35 млрд,Сделка будет полностью оплачена акциями AMD, закрыть ее планируют в конце 2021 г.

По условиям соглашения, акционеры Xilinx получат 1,7234 акции AMD за каждую акцию Xilinx, это примерно $143 за бумагу. После завершения сделки, им будет принадлежать 26% объединенной компании, которая будет стоить $135 млрд.

Руководить объединенной компанией будет гендиректор AMD Лиза Су. Гендиректор Xilinx Виктор Пэн займет пост президента, отвечающего за бизнес Xilinx и инициативы по стратегическому росту. Кроме того, как минимум два кресла в совете директоров AMD займут выходцы из Xilinx.

AMD покупает конкурента

AMD — один из крупнейших производителей центральных процессоров, графических процессоров, материнских плат и чипсетов для них. В частности, компания разрабатывает чипсеты для новых игровых консолей Xbox Series X и PlayStation 5. Сделка с Xilinx позволит AMD усилить борьбу с Intel за долю рынка чипов, используемых в дата-центрах,отмечаетFinancial Times.

На рынке чипов в последние месяцы было совершено несколько крупных сделок, напоминает газета: NVIDIA объявила о покупке Arm за $40 млрд, Analog Devices — о покупке Maxim Integrated Products примерно за $20 млрд. Эта череда сделок вызвана стремлением крупных производителей чипов расширить свой бизнес, чтобы доминировать в секторе 5G и «интернета вещей», а также продолжающимся переходом IT-индустрии к облачным вычислениям.

Apple разрабатывает свою альтернативу поисковику Google

Apple разрабатывает свою альтернативу поисковику Google

Google ежегодно выплачивает Apple от$8млрд до$12млрд вгод зато, что еёпоисковик устанавливается поумолчанию наiOS. Сделка стала одним изпредметов антимонопольного расследования,открытогоМинистерством юстиции США вотношении Google напрошлой неделе.

Apple активизировала разработку собственного поискового движка нафоне антимонопольного расследования американских властей вотношении Google,пишетFinancial Times.

Слухи отом, что уApple может появиться свой поисковик, появились вэтом августе: наэто указывало одно изизменений вiOS14. Компания начала выводить собственные поисковые результаты, анесгенерированные Google, идавать прямые ссылки насайты позапросам, заданным сдомашнего экрана iPhone.

Apple разрабатывает свою альтернативу поисковику Google

Кроме того, «яблочная» компания открыла вакансии посозданию «революционных поисковых технологий». 2,5 года назад Appleнанялакомпьютерного специалиста Джона Джаннандреа, который сейчас занимает пост старшего вице-президента поAI. Доэтого Джаннандреа восемь лет проработал вGoogle, втом числе над стратегиями применения искусственного интеллекта веёпоисковой системе.

Несколько дней назад New York Timesупоминал, что антимонопольное разбирательство США против Google может побудить Apple ускорить работу над фирменным поисковым сервисом.

Впоследние недели эксперты наблюдают повышенную активность веб-краулера Applebot. Это говорит отом, что компания собирает массивную базу интернет-страниц, необходимую для создания поисковика.Apple отказалась откомментариев.

Разработка домашней поисковой системы— вполне логичный шаг для Apple, которая предпочитает самостоятельно контролировать наиболее важные компоненты своих продуктов, отмечает издание. Уже больше десяти лет вкачестве поисковика наiPhone поумолчанию используется Google Search.

Apple разрабатывает свою альтернативу поисковику Google

В2014 году Googleплатилазаинтеграцию своего поискового движка вкачестве основного впродукты Apple $1млрд. Как сообщает NYT, в2017-м условия договорённости пересмотрели, аставки для Google завозможность быть поисковиком поумолчанию, втом числе наiPhone ивSiri, поднялись до$8-12млрд вгод.

Сделка наглядно иллюстрирует, что Google пытается незаконными методами сохранить свою монополию нарынке иподавить конкуренцию. Минюст утверждает, что гаджеты Apple дают около половины поискового трафика Google, накотором держится еёрекламный бизнес. Поэтому потерять такой крупный его источник для Google крайне нежелательно.

Apple разрабатывает свою альтернативу поисковику Google

Google ежегодно выплачивает Apple от$8млрд до$12млрд вгод зато, что еёпоисковик устанавливается поумолчанию наiOS. Сделка стала одним изпредметов антимонопольного расследования,открытогоМинистерством юстиции США вотношении Google напрошлой неделе.

Apple активизировала разработку собственного поискового движка нафоне антимонопольного расследования американских властей вотношении Google,пишетFinancial Times.

Слухи отом, что уApple может появиться свой поисковик, появились вэтом августе: наэто указывало одно изизменений вiOS14. Компания начала выводить собственные поисковые результаты, анесгенерированные Google, идавать прямые ссылки насайты позапросам, заданным сдомашнего экрана iPhone.

Apple разрабатывает свою альтернативу поисковику Google

Кроме того, «яблочная» компания открыла вакансии посозданию «революционных поисковых технологий». 2,5 года назад Appleнанялакомпьютерного специалиста Джона Джаннандреа, который сейчас занимает пост старшего вице-президента поAI. Доэтого Джаннандреа восемь лет проработал вGoogle, втом числе над стратегиями применения искусственного интеллекта веёпоисковой системе.

Несколько дней назад New York Timesупоминал, что антимонопольное разбирательство США против Google может побудить Apple ускорить работу над фирменным поисковым сервисом.

Впоследние недели эксперты наблюдают повышенную активность веб-краулера Applebot. Это говорит отом, что компания собирает массивную базу интернет-страниц, необходимую для создания поисковика.Apple отказалась откомментариев.

Разработка домашней поисковой системы— вполне логичный шаг для Apple, которая предпочитает самостоятельно контролировать наиболее важные компоненты своих продуктов, отмечает издание. Уже больше десяти лет вкачестве поисковика наiPhone поумолчанию используется Google Search.

Apple разрабатывает свою альтернативу поисковику Google

В2014 году Googleплатилазаинтеграцию своего поискового движка вкачестве основного впродукты Apple $1млрд. Как сообщает NYT, в2017-м условия договорённости пересмотрели, аставки для Google завозможность быть поисковиком поумолчанию, втом числе наiPhone ивSiri, поднялись до$8-12млрд вгод.

Сделка наглядно иллюстрирует, что Google пытается незаконными методами сохранить свою монополию нарынке иподавить конкуренцию. Минюст утверждает, что гаджеты Apple дают около половины поискового трафика Google, накотором держится еёрекламный бизнес. Поэтому потерять такой крупный его источник для Google крайне нежелательно.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *