Los motores térmicos son dispositivos que utilizan el calor residual para realizar trabajo mecánico y generar energía. La invención de los motores térmicos marcó el comienzo de una era de la revolución industrial hace 250 años. El motor Otto, que utiliza distintos golpes de calor y trabajo, impulsa a casi todos los automóviles y es un estándar de la industria debido a su potencia y eficiencia relativamente altas. En un motor Otto, una sustancia de trabajo suele ser un gas confinado a un pistón, que se somete a cuatro carreras posteriores:primero se comprime, luego se calienta, se expande y finalmente se enfría hasta su temperatura inicial.

Hoy en día, los avances significativos en la nanofabricación ponen de relieve los motores térmicos cuánticos. Al igual que sus contrapartes clásicas, los motores térmicos cuánticos podrían funcionar en contextos que podrían ser continuos o cíclicos. A diferencia de los motores clásicos, que usan una cantidad macroscópica de la sustancia de trabajo, la sustancia de trabajo de un motor cuántico tiene características cuánticas pronunciadas. El más destacado de ellos es la discreción de las posibles energías que puede tomar. Aún más extravagante desde el punto de vista clásico es el hecho de que un sistema cuántico pueda existir en dos o más de sus energías permitidas al mismo tiempo. Esta propiedad, que no tiene análogo clásico, se conoce como coherencia cuántica. De lo contrario, un motor Otto cuántico también se caracteriza por cuatro tiempos como su contraparte clásica.

Determinar las métricas de rendimiento del motor cuántico Otto, como la potencia de salida o la eficiencia, es la clave para mejorar el diseño y adaptar mejores sustancias de trabajo. Un diagnóstico directo de tales métricas requiere medir las energías del motor al principio y al final de cada carrera. Mientras que un motor clásico solo se ve afectado de manera insignificante por las mediciones, en los motores cuánticos, el acto de la medición en sí provoca un extraño efecto de medición en el que el estado cuántico del motor se ve gravemente afectado por la mecánica cuántica. Más importante aún, cualquier coherencia en el sistema al final del ciclo sería completamente eliminada por el efecto de medición.

Durante mucho tiempo se ha creído que estos extraños efectos inducidos por la medición son irrelevantes para la comprensión de los motores cuánticos y, por lo tanto, se han descuidado en la termodinámica cuántica tradicional. Además, no se ha pensado mucho en el diseño de protocolos de monitoreo que brinden un diagnóstico confiable del rendimiento del motor mientras lo alteran mínimamente.

Sin embargo, una nueva investigación revolucionaria realizada en el Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos del Instituto de Ciencias Básicas de Corea del Sur puede cambiar esta perspectiva rígida. Los investigadores investigaron el impacto de diferentes esquemas de diagnóstico basados ​​en mediciones en el rendimiento de un motor Otto cuántico. Además, descubrieron un método de medición mínimamente invasivo que preserva la coherencia entre los ciclos.

Los investigadores utilizaron el llamado esquema de contactos repetidos, donde registran los estados del motor usando una sonda auxiliar, y las mediciones de la sonda se realizan solo al final de los ciclos de trabajo del motor. Esto evita la necesidad de medir el motor repetidamente después de cada carrera y evita efectos cuánticos indeseables inducidos por la medición, como la eliminación de cualquier coherencia que se haya acumulado durante el ciclo.

La preservación de la coherencia a lo largo de la vida útil del motor mejoró las métricas críticas de rendimiento, como la máxima potencia de salida y la confiabilidad, lo que hizo que el motor fuera más capaz y confiable. El profesor Thingna dice:"Este es el primer ejemplo en el que se ha considerado correctamente la influencia de un experimentador, que quiere saber si el motor hace lo que está diseñado para hacer".

Al cubrir un amplio espectro de diferentes modos de operación de motores con una sustancia de trabajo que tiene solo dos estados cuánticos, los investigadores encontraron que para los ciclos idealizados que funcionan infinitamente lentos, no importa qué esquema de monitoreo se aplique. Pero todos los motores que funcionan en un tiempo finito y, por lo tanto, son de interés práctico, funcionan considerablemente mejor por su potencia y confiabilidad cuando se monitorean de acuerdo con el esquema de contacto repetido.

En general, los investigadores concluyeron que la naturaleza de las técnicas de medición puede acercar la teoría a los datos experimentales. Por lo tanto, es vital tener en cuenta estos factores al monitorear y probar motores térmicos cuánticos. Esta investigación fue publicada en Physical Review X Quantum .