Quantenexperiment macht aus dem Ottomotor einen Kühlschrank
Ein Quantenprozess lässt Wärme unter bestimmten Bedingungen rückwärts fließen. Daraus entsteht ein kombinierter Motor-Kühlschrank-Zyklus.
Strahlteiler und verschiedene Lichtwege ermöglichen die gezielte Kontrolle von Photonen. Ein ähnliches Prinzip nutzten Forschende, um einen Quanten-Otto-Motor mit Kühlfunktion zu simulieren. Symbolfoto.
Foto: picture alliance/dpa | Matthias Balk
Der Ottomotor liefert das thermodynamische Vorbild: Er verdichtet ein Arbeitsmedium, führt Wärme zu, lässt es expandieren und gibt anschließend Wärme ab. Forschende haben diesen vierteiligen Kreisprozess nun auf die Quantenwelt übertragen – mit einem ungewöhnlichen Ergebnis. Ihr simulierter Quanten-Otto-Motor gibt Arbeit ab und transportiert gleichzeitig Wärme von einem kälteren zu einem wärmeren System.
Ein realer Motor mit Kolben oder Kurbelwelle ist dabei nicht entstanden. Das internationale Team bildete den Quanten-Otto-Zyklus mit einzelnen Photonen in einem optischen Versuchsaufbau nach. Die in Physical Review Letters veröffentlichte Studie ist ein grundlagenphysikalischer Machbarkeitsnachweis, keine fertige Kühlmaschine.
Inhaltsverzeichnis
Was ein Quanten-Otto-Motor mit dem Ottomotor gemeinsam hat
Ein idealisierter Otto-Kreisprozess besteht aus vier Abschnitten. Zunächst wird das Arbeitsmedium verdichtet. Anschließend nimmt es Wärme auf. Danach expandiert es und gibt dabei Arbeit ab. Im letzten Schritt wird überschüssige Wärme abgeführt.
Der Quanten-Otto-Motor folgt demselben thermodynamischen Schema. Statt eines Gasgemischs im Zylinder dient jedoch ein Qubit als Arbeitsmedium. Dieses Quantensystem kann zwei Energieniveaus einnehmen. Verändern die Forschenden den Abstand zwischen diesen Niveaus, entspricht das vereinfacht der Verdichtung oder Expansion im klassischen Motor.
Auch „Arbeit“ hat hier eine andere Bedeutung als im Verbrennungsmotor: Es dreht sich keine Welle. Arbeit bezeichnet die Energie, die beim kontrollierten Vergrößern und Verkleinern des Abstands zwischen den beiden Quantenzuständen aufgenommen oder abgegeben wird.
Der zweite Takt macht den Unterschied
Drei der vier Abschnitte ähneln einem gewöhnlichen Quanten-Otto-Zyklus. Der entscheidende Unterschied liegt im zweiten Takt, der Wärmezufuhr.
Normalerweise würde das Arbeitsmedium Wärme aus einer heißeren Umgebung aufnehmen. Im neuen Modell ist das Quantensystem jedoch bereits wärmer als die beiden Wärmebäder, mit denen es in Kontakt kommt. Trotzdem kann es unter bestimmten Bedingungen Energie aus diesen kälteren Umgebungen aufnehmen.
Möglich wird das durch einen sogenannten Quantenschalter. Das System durchläuft zwei identische Wärmeprozesse entweder in der Reihenfolge A–B oder B–A. Im Experiment wurden beide Abläufe quantenmechanisch überlagert. Es war damit nicht eindeutig festgelegt, welcher Wärmeprozess zuerst wirkte.
Die vier Takte des Quanten-Otto-Motors
Der von den Forschenden entwickelte Zyklus lässt sich vereinfacht in vier Schritte zerlegen:
1. Quantenmechanische Verdichtung:
Der Abstand zwischen den beiden Energieniveaus des Qubits wird vergrößert. Dafür muss Energie in das System fließen.
2. Wärmeaufnahme aus der kalten Umgebung:
Das Qubit durchläuft die überlagerten Wärmeprozesse. Bei einem bestimmten Messergebnis nimmt es Wärme aus den kälteren Wärmebädern auf, obwohl es selbst wärmer ist.
3. Quantenmechanische Expansion:
Der Abstand zwischen den Energieniveaus wird wieder verkleinert. Dabei gibt das System mehr Arbeit ab, als es im ersten Schritt aufgenommen hat.
4. Wärmeabgabe:
Das Qubit gibt Wärme an ein wärmeres Reservoir ab und kehrt in seinen Ausgangszustand zurück.
Der Zyklus erfüllt damit zwei Funktionen gleichzeitig: Wie ein Motor weist er über seine beiden Arbeitstakte eine Netto-Arbeitsabgabe auf. Wie ein Kühlschrank transportiert er Wärme von einer kälteren zu einer wärmeren Umgebung. Genau diese Kombination unterscheidet ihn von einem konventionellen Otto-Motor.
Photonen simulieren den Motor
Für das Experiment schickten die Forschenden einzelne Photonen durch einen Aufbau mit zwei Lichtwegen. Die Polarisation der Photonen repräsentierte das Arbeitsmedium des Quantenmotors. Die beiden Wege standen für die unterschiedlichen Reihenfolgen der Wärmeprozesse.
Auf einem Weg durchlief das Photon die simulierten Wärmebäder in der Reihenfolge A–B, auf dem anderen in der Reihenfolge B–A. Anschließend wurden beide Wege wieder zusammengeführt. Auf diese Weise simulierte der Aufbau die überlagerte Reihenfolge des Quantenschalters.
Die Photonen trieben dabei keinen mechanischen Motor an. Auch ein reales Bauteil wurde nicht gekühlt. Gemessen wurden die Zustands- und Energieänderungen, die das theoretische Arbeitsmedium während des Otto-Zyklus durchlaufen würde.
Der Motor funktioniert nicht bei jedem Durchlauf
Der umgekehrte Wärmefluss tritt nur bei einem bestimmten Ergebnis der Messung am Kontroll-Qubit auf. Liefert die Messung ein anderes Ergebnis, muss das System thermisch zurückgesetzt und der zweite Takt wiederholt werden.
Der Quanten-Otto-Motor arbeitet somit nicht deterministisch. Im Mittel können mehrere Anläufe nötig sein, bevor der Zyklus fortgesetzt wird. Werden alle Messergebnisse zusammen betrachtet, verschwindet der ungewöhnliche Wärmefluss. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bleibt deshalb unangetastet.
Auch der Quantenmotor braucht einen Antrieb
Der kombinierte Motor-Kühlschrank erzeugt keine Energie aus dem Nichts. Die Messergebnisse müssen gespeichert und vor dem nächsten Zyklus wieder gelöscht werden. Dieser Vorgang benötigt Arbeit.
Die Forschenden vergleichen diesen Energieaufwand mit dem Stromanschluss eines klassischen Kühlschranks. Hinzu kommen thermodynamische Ressourcen für die Vorbereitung des Kontroll-Qubits und für die gesteuerten Quantenoperationen. Ein Teil der ungewöhnlichen Energiebilanz stammt somit aus der Kontrolle und Verarbeitung von Quanteninformationen.
Noch kein Motor für die Praxis
Das Experiment zeigt, dass sich ein veränderter Otto-Kreisprozess mit Photonen nachbilden lässt. Es liefert jedoch keine reale Kühlleistung und keine mechanisch nutzbare Motorleistung.
Ungeklärt ist außerdem, wie schnell ein solcher Zyklus unter realistischen Bedingungen ablaufen könnte und welche Gesamtenergiebilanz ein physisches Gerät erreichen würde. Die Forschenden sehen mögliche langfristige Anwendungen beim Wärmemanagement von Quantenprozessoren, Sensoren oder nanoskaligen Systemen. Eine konkrete Quantenkühlmaschine lässt sich aus dem Versuch bislang jedoch nicht ableiten.
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