少なくとも量子力学によれば、原子を乱すことなく測定することはできません。この効果は厄介なように思えるかもしれませんが、ほぼ 100% の効率で動作する小さなエンジンに電力を供給する可能性があります。これは自動車のエンジンよりもはるかに優れていると、2 人の物理学者が報告しています。現時点では、「測定エンジン」は純粋に仮説に過ぎませんが、物理学者は実際にそれを作ることができるかもしれないと言っています.
フランスのモンボノ・サン・マルタンにある AI 企業で、量子コンピューティングに投資している ProbaYes の物理学者である David Herrera Martí 氏は、「これは非常に優れたアイデアです」と述べています。 「レーザーで非常に効率的に駆動される小さな分子機械の群れを想像することができます。」
エンジンとは、一連の動きを繰り返してエネルギーを有用な仕事に変換する機械です。たとえば、車を道路に押し出すなどです。ほとんどのエンジンは、「ホットバス」から熱エネルギーを取り込みます。これは、車のエンジン内で、燃料の爆発によって発生する高温のガスです。エンジンを動かし続けるには、エンジンが繰り返し元の構成に戻る必要があり、その過程で、車や環境にとって「冷浴」に熱を失う必要があります。熱力学の第 2 法則によって要求されるエネルギーの浪費は避けられないため、熱機関の効率は槽の温度によって設定されるレベルよりも低く制限されます。一般的な自動車は、ガソリンのエネルギーの約 25% を運動に変換します。
しかし、非常に小さな量子領域では、エンジンは別のエネルギー源 (小さな粒子の位置を測定するために必要なエネルギー) を供給し、ほぼ完全な効率でそれを使用することができます。ニューヨークのロチェスター大学。 2 人は、たとえば、その位置を何度も測定しようとするだけで、重力に逆らって粒子を持ち上げることができるスキームを考案しました。
エレベーターの床に置かれたボーリングのボールを想像してみてください。何度見てもその位置は変わらない。しかし、ボウリングのボールを小さな可動プラットフォーム上の単一の中性子に縮小すると、量子力学によって状況が劇的に変化します。中性子は非常に小さいため、その位置を正確に予測することはできません。代わりに、中性子は、さまざまな場所でそれを見つける確率を与える拡散量子波によって記述されなければなりません。量子波は、プラットフォームの上に浮かんでいる雲のようなもので、中性子が存在する可能性が高いプラットフォームの近くでは密集し、上では薄くなります。中性子の位置が判明するのは、測定が行われるまでです。
Elouard と Jordan は、量子測定のどちらかまたはどちらかの性質を利用して、中性子がプラットフォーム上の設定された距離内でホバリングしているかどうか、またはプラットフォームがさらに上にあるかどうかを測定することを想定しています。中性子が近接ゾーン内にある場合、プラットフォームから離れます。中性子がその近接ゾーンの外にある場合、それらは同じ設定距離だけプラットフォームを上に移動し、本質的に重力が中性子を引き戻す前に中性子をキャッチします。このプロセスを繰り返すと、重力に逆らって中性子が徐々に持ち上げられる、と研究者は Physical Review Letters に掲載された研究で報告しています。 .興味深いことに、プラットフォーム自体が中性子を持ち上げる力を及ぼすことはありません。代わりに、中性子を持ち上げるエネルギーは測定自体から得られます。
ただし、落とし穴があります。測定は中性子の量子波も変化させます。また、中性子がプラットフォームに近いかどうかを測定すると、元の波の半分が失われます。その弓のこ改造には多くのエネルギーが必要です。さらに、次のエンジン サイクルに備えるために、このギザギザの波は元の滑らかな形状に「緩和」する必要があります。つまり、吸収したエネルギーのほとんどを周囲に放出する必要があります。この 2 つの影響は、エンジンの効率を損ないます。
このような損失を回避するために、Elouard と Jordan は最後の重要な要素を採用しています。彼らは、「アウト」の定義が同じままになるように測定を変更することを想像しています。中性子はプラットフォームから固定距離を超えています。しかし、「中」の定義は曖昧になります。これは、粒子が表面からかなり離れた場所にあることだけを意味します。中性子が 2 つの境界の間にあいまいに位置する場合、量子測定ではランダムに「アウト」または「イン」が得られます。
奇妙なことに、測定の不確実性は大きなボーナスをもたらします。適切に調整し、測定値が「入っている」と表示された場合、中性子の量子波はほとんど変化しません。 「アウト」と表示されている場合、測定では中性子が元の波とほぼ同じ波のままになりますが、上方にシフトします。重要なことに、これらの 2 つの重なり合う波は元の波と非常によく似ているため、結果がどうであれ、緩和時に失われるエネルギーはほとんどなく、中性子は次のサイクルを開始する準備ができています。 「それが最も賢い部分です」と Herrera Martí は言います。
エンジンは最大 99.8% の効率で稼働できるとエルアードとジョーダンは計算しています。そのようなエンジンを構築することは可能かもしれない、とジョーダンは言います。 「これで機関車を走らせることはできませんが、原子や分子を走らせることはできます」と彼は言います。しかし、そのような機械が何に適しているかはまだわかりません.
もちろん、トレードオフがあります。確実性の低い測定を採用すると、中性子を持ち上げるためにより多くのサイクルが必要になります。そのため、量子測定エンジンは効率的ですが、その仕事はゆっくりと行われます。最終的に、エンジンは熱力学の第 2 法則から逃れることもできないと Herrera Martí 氏は述べています。研究者は測定装置を特定していませんが、エネルギーを浪費しなければならない巨視的な機械でなければならない、と彼は言います。それでも、測定エンジンは量子力学のツールボックスに新しいツールを追加しました。
