Físicos investigan los límites fundamentales de los motores cuánticos

 

Físicos investigan los límites fundamentales de los motores cuánticos

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Actualizado 04/08/2017 17:00:13 CET

   MADRID, 4 Ago. (EUROPA PRESS) -

   La eficiencia de los sistemas cuánticos está sujeta a límites fundamentales más estrictos que los impuestos por la segunda ley de la termodinámica, que rige la eficiencia de los sistemas clásicos.

   Es el resultado obtenido por físicos que han desarrollado un método mejorado para calcular la eficiencia de los motores cuánticos.

   Se sabe que los motores cuánticos operan de forma diferente a sus homólogos clásicos y, en algunos casos, superan sus resultados. Sin embargo, investigaciones previas sobre el rendimiento de los motores cuánticos pueden sobrestimar sus ventajas.

   En su nuevo estudio, los físicos Obinna Abah y Eric Lutz de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nürnberg en Alemania han publicado un artículo sobre la eficiencia energética de máquinas cuánticas en un número reciente de EPL.

   El rendimiento de cualquier tipo de motor -cuántico o clásico- está determinado en gran medida por su eficiencia energética (la relación de salida de energía respecto a la entrada de energía) y su potencia (la tasa de producción de energía en un tiempo dado).

   La termodinámica convencional impone una compensación entre la eficiencia de un motor y su energía, es decir, cuando aumenta una y la otra disminuye. Para los motores cuánticos, sin embargo, es posible aumentar la eficiencia y la potencia al mismo tiempo. Esto significa que, con los métodos apropiados, los motores cuánticos pueden potencialmente producir más energía a partir de una cantidad dada de entrada de energía, y lo hacen a un ritmo más rápido que antes de la mejora.

   Algunos de los métodos que permiten el aumento simultáneo de la eficiencia y energía se llaman técnicas de "acceso directo a la adiabaticidad". Las transformaciones adiabáticas son altamente deseables porque disipan poca energía, lo que aumenta la eficiencia del sistema y acelera la dinámica del sistema, lo que aumenta la potencia del sistema.

   Como su nombre indica, los accesos directos a la adiabaticidad permiten a las máquinas cuánticas imitar la operación adiabática en un tiempo mucho más corto de lo que es posible utilizando transformaciones adiabáticas genuinas, que son infinitamente lentas.

   Aunque las investigaciones anteriores han demostrado las ventajas de los accesos directos a la adiabaticidad para mejorar el rendimiento de los motores térmicos, estos métodos típicamente no tienen en cuenta el coste energético del protocolo de acceso directo cuando se calcula la eficiencia final del sistema. Como resultado, las mejoras de eficiencia debidas a los accesos directos a la adiabaticidad parecen ser gratuitas, exagerando sus efectos.

   En el nuevo estudio, Abah y Lutz desarrollaron un método para evaluar el desempeño de un sistema que explica el costo de energía de estos atajos. Sus resultados muestran que los accesos directos a la adiabaticidad mejoran el rendimiento de un sistema sólo si el atajo es lo suficientemente rápido, ya que los atajos más rápidos tienen menores costos de energía. Por otro lado, los protocolos de atajos muy lentos tienen mayores costos de energía que pueden superar cualquier potencial de ganancia de energía.

   "Nuestro trabajo demuestra que una mayor eficiencia y una mayor potencia pueden lograrse al mismo tiempo con la ayuda de métodos de acceso directo a la adiabaticidad, incluso cuando se tiene en cuenta el costo energético del atajo", dijo Abah a Phys.org.

   Los físicos también mostraron que hay un límite fundamental a la eficiencia de cualquier motor cuántico, no importa qué tipo de atajos a la adiabaticidad se utilice. Sorprendentemente, los límites de un motor cuántico son más estrictos que los límites impuestos por la segunda ley de la termodinámica, que establece los límites finales de la eficiencia de los motores clásicos.

   Como explican los físicos, la razón de los límites más estrictos en los motores cuánticos se debe a que la mecánica clásica no impone restricciones a la velocidad de un proceso, mientras que la mecánica cuántica tiene restricciones de velocidad, dadas por "límites cuánticos de velocidad". Los científicos planean comparar diferentes métodos de atajo para determinar el que conduce a la máquina más eficiente de energía. Entender los límites cuánticos de velocidad y sus limitaciones fundamentales en los sistemas cuánticos es esencial para diseñar futuros motores cuánticos.

   "El advenimiento de la miniaturización conducirá inevitablemente a máquinas tan pequeñas que su dinámica generalmente obedecerá las leyes de la mecánica cuántica en lugar de las de la mecánica clásica", dijo Abah. "Sus propiedades serán entonces gobernadas por la termodinámica cuántica".

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