Termodinamiğin tarihi, ısı motorlarının evrimi ve mekanik iş üretimi ile yakından ilişkilidir. Belirli bir sistemden elde edilebilecek maksimum işin belirlenmesi klasik termodinamikte ve son zamanlarda kuantum termodinamikte temel bir konudur.
Kuantum sistemlerinde, durumların doğrusal süperpozisyonu ile ilişkili olan tutarlılığın iş kapasitesini artırması beklenmektedir. Çinli Bilim İnsanı Zhibo Niu ve meslektaşları bu teorik öngörüyü deneysel olarak doğrulamış ve böylece kuantum tutarlılığının nano cihaz mühendisliği için potansiyel olarak değerli bir kaynak olduğunu teyit etmiştir.
Kuantum fiziğinin dikkate değer bir özelliği, sistemlerin çeşitli durumların tutarlı süperpozisyonları halinde düzenlenebilmesidir. Bu temel özellik kuantum girişim fenomeninin kaynağıdır. Kuantum bilgi biliminde temel bir fiziksel kaynak olarak kabul edilmiş ve sayı çarpanlarına ayırma gibi kuantum algoritmalarının geleneksel eşdeğerlerini aşmasını sağlamıştır. Son zamanlarda, ilgili bir araştırma önemli ölçüde ilgi çekmiştir:
Enerji seviyelerinin doğrusal süperpozisyonlarıyla ilişkili olan enerjetik tutarlılığı, termodinamikte daha önce olduğundan daha fazla iş yapmak için bir araç olarak kullanmanın bir yolu var mıdır?
Bir kuantum sisteminden elde edilebilecek enerji, beklenmedik bir şekilde, sistemin enerjisi tarafından belirlenmez. Bu paradoksal olgunun temel dayanağı, Kelvin ve Planck tarafından ifade edildiği şekliyle termodinamiğin ikinci yasasının, termal denge durumlarından döngüsel olarak iş çıkarılmasını yasaklamasıdır.
Sonuç olarak, termal durumlar sıklıkla pasif olarak adlandırılır.
Döngüsel (üniter) bir süreçte çıkarılabilecek en büyük iş, ortalama enerjilerinin “pasif olmayan” bileşeni tarafından belirlenir. Durumun ortalama enerjisi ile karşılık gelen pasif durum arasındaki fark olarak tanımlanan bu nicelik, entropi terimine benzer şekilde ergotropi (iş anlamına gelen “ergo” ve dönüşüm anlamına gelen “trope ”den türetilmiştir) olarak adlandırılır.
Tutarlılıktan yoksun sistemlerde, tutarsız ergotropi yalnızca enerji seviyelerinin popülasyon dağılımına bağlıdır. Bununla birlikte, enerji seviyeleri arasında tutarlılık olduğunda yeni bir klasik olmayan unsur, tutarlı ergotropi ortaya çıkar Özellikle negatif değildir, bu da tutarlılığın sistemin görev üretim kapasitesini artırabileceğini düşündürmektedir.
Niu ve meslektaşları, deneyleri için bir elmas kristali içindeki azot boşluk merkezinin tek elektron spini tarafından oluşturulan katı hal kübitini kullandılar. Bu cihazlar üstün durum kontrolü sağlamakta ve ortam sıcaklığında bile uzun süreli spin tutarlılığı göstermektedir. Kübit durumlarının tutarlı süperpozisyonları, mikrodalga darbesi uyarımı ile Rabi salınımları üretilerek oluşturulmuştur. Elektron spininin ortalama enerjisi, spinin komşu bir nükleer spin aracılığıyla uygulanan yardımcı bir kubite bağlanmasıyla değerlendirilmiştir. Kısa evrim süreleri için, elektron spininin ortalama enerjisi nükleer spinin durumu ile ilişkilendirilebilir ve lazer darbeleri ile okunmasını sağlar.
Bir elektron spin durumunun ergotropisi iki enerji ölçümü arasındaki fark belirlenerek değerlendirilmiştir: orijinal durumun ortalama enerjisi ve iş çıkarımını takiben durumun ortalama enerjisi. Toplam, tutarsız ve tutarlı ergotropiler deneyde çeşitli sistem durumları oluşturularak değerlendirilmiştir.
Tutarlılık derecesi, klasik durumlar için sıfır olan ve gelişmiş kuantum tutarlılığı ile monoton olarak artan tutarlılığın göreceli entropisi olarak bilinen bilgi teorik bir ölçü kullanılarak ölçülmüştür. Niu ve meslektaşları, elektron kübitinin tutarlılığının artırılmasının, teoride belirtildiği gibi, tutarlılık derecesini değiştirerek tutarlı ergotropiyi artırdığını göstermiştir.
Tek bir kübit içeren bu araştırma, tutarlılığın bir kuantum sisteminden klasik eşdeğerine kıyasla daha fazla iş elde etmek için değerli bir fiziksel kaynak olarak hizmet ettiğine dair önemli kanıtlar sunmaktadır. Bu bulgular, kuantum tutarlı makinelerin tutarlılığı etkin bir şekilde kullanarak geleneksel tutarsız makineleri aşabileceğini göstermektedir. Bu avantajın son göstergeleri, piston olarak işlev gören hareketli bir ayna içeren bir boşluktan oluşan bir fotonik ısı motorunda gözlemlenmiştir.
Motorun verimliliği, süperradyan durumdaki atomik enerji seviyelerinin tutarlı süperpozisyonlarını içeren bir kuantum rezervuarı tarafından çalıştırıldığında, birliğe yaklaşarak belirgin bir şekilde artmıştır.
