国際的な研究チームは、量子システムが冷たい熱源と熱い熱源から熱を吸収できる異常な熱効果を観察しました。このチームは、その現象を利用して、機械的な仕事と冷却を同時に生成できる量子熱機を構築しました。古典物理学によれば、熱は高温のシステムから低温のシステムへ自然に流れます。この原則は、発電所から家庭用冷蔵庫に至るまでのさまざまな技術の開発に利用されており、私たちは、2つのシステム間でバランスが取れるまでこの原則が機能しないことを知っています。したがって、曲阜師範大学、香港大学、パレルモ大学の研究者たちが量子効果によって生じる異常な熱挙動を観察したとき、彼らはすぐにその応用の可能性を考えました。
最終的に、この研究成果は、2つの作業を同時に行う熱機の開発につながりました。
因果関係の不確実性を持つ量子システムは、古典物理学では説明が難しい挙動を示すことがよくあります。「不確実な因果関係（ICO）は、2つのイベントが重ね合わせの形で発生することを許可します」と曲阜師範大学の量子力学研究者である鄭小満は説明しました。「初期の研究は、同じチャネル温度であっても、システムがその温度にバランスを取る必要はないことを示しています」と鄭小満は付け加えました。この古典熱力学からの大きな逸脱は、研究者たちに、システムとチャネルの初期温度が異なる場合や、2つの熱源が存在する場合に熱流がどのように変化するかを疑問に思わせました。彼らの理論研究では、量子システムがより冷たい熱源から熱を吸収できると予測しました。
その後、彼らは新しい量子オットーエンジンを構築し、実験によって彼らの予測を確認しました。「量子の世界では、2つの熱過程が異なる順序で重ね合わせの形で発生することができます。これにより異常な熱流が生じ、エンジンは古典的な方法では実現できない形でより冷たい環境からエネルギーを抽出できるようになります」と鄭小満はさらに説明しました。
研究成果は量子熱機の応用に新たな方向性を開く
次に何が起こるのでしょうか？理論的な概念を物理的な現実に変換することで、研究者たちはこれらの効果が無限の因果関係の印であるだけでなく、明確な因果構造で再現できることを証明しました。これは、異なる方法で熱とエネルギーを操作できる他の量子技術の設計に役立つ可能性があります。研究者たちが構築した量子熱機は、原理の証明に過ぎず、量子プロセッサからセンサーなどの一連のデバイスへの応用の扉を開きました。「今後の研究の一つの領域は、理想化された熱力学サイクルを超えて、すべての操作が有限の時間内に行われるより現実的な実現方法を探ることです。」
パレルモ大学のオープン量子システム研究者であるロザリオ・ロ・フランコは、この作業にも参加しています。「実際のデバイスでは、速度が重要です。なぜなら、それは効率だけでなく、出力にも影響を与えるからです。最近の理論研究は、有限の時間内での測定と制御操作がエネルギーコスト、情報取得、性能の間に基本的なトレードオフを導入する可能性があることを示しており、これらの制約が私たちの作業するエンジンの種類にどのように影響するかを理解したいと考えています。」
この研究結果は『Physical Review Letters』に発表されました。