科学者たちは、効率的な量子デバイスを開発するための刺激的な可能性を明らかにしています。量子力学は、原子や分子などの非常に小さなスケールでの粒子の特性と相互作用を研究する物理学の分野です。これにより、従来のテクノロジーよりも強力で効率的な新しいテクノロジーの開発が行われ、コンピューティング、通信、エネルギーなどの分野で画期的な進歩がもたらされました。
エンジン設計の飛躍的な進歩
沖縄科学技術大学院大学（OIST）の量子システム部門の研究者は、カイザースラウテルン・ランダウ大学およびシュツットガルト大学の科学者と協力して、粒子が極小スケールで従う特別な規則に基づいてエンジンを設計、構築しました。
彼らは、燃料を燃やす通常の方法ではなく、量子力学の原理を使用して電力を生成するエンジンを開発しました。これらの結果を説明した論文は、OIST研究者のキーシー・メノン氏、エロイサ・クエスタス博士、トーマス・フォガティ博士、トーマス・ブッシュ教授の共著で、ネイチャー誌に掲載されました。
古典的エンジンと量子エンジンの比較
典型的なクラシックカーのエンジンでは、燃料と空気の混合物がキャビティ内で点火されます。爆発によって発生した熱はキャビティ内のガスを加熱し、ピストンを押し出したり押し出したりして、ホイールを回転させる仕事を生み出します。
研究者らは、量子エンジンにおいて、熱の使用をガス中の粒子の量子特性を変化させることで置き換えました。この変化がどのようにエンジンに動力を供給するかを理解するには、自然界のすべての粒子が、その特殊な量子特性に基づいてボソンまたはフェルミオンのいずれかに分類できることを知る必要があります。
量子効果が重要になる極低温では、ボソンはフェルミ粒子よりも低いエネルギー状態を持ち、このエネルギーの差をエンジンの動力として利用できます。量子エンジンは、古典的なエンジンのように周期的にガスを加熱および冷却するのではなく、ボソンをフェルミ粒子に変換し、再びフェルミ粒子に戻すことによって機能します。
「フェルミオンをボソンに変えるには、2つのフェルミオンを結合して1つの分子を作ります。この新しい分子はボソンです。それを分解した後、再びフェルミオンを取り戻すことができます。」量子システムグループのリーダーであるトーマス・ブッシュ教授は、「これをループで行うことで、熱を使わずにエンジンに動力を供給することができる」と説明した。
量子エンジンの効率と可能性
このエンジンは量子状態でのみ動作しますが、研究チームは非常に効率的であり、ドイツの共同研究者が確立した既存の実験装置では最大 25% に達することを発見しました。
この新しいエンジンは、量子力学の分野におけるエキサイティングな開発であり、量子技術の新興分野をさらに前進させる可能性を秘めています。しかし、それは量子力学が自動車エンジンに動力を供給するのが間もなく見られることを意味するのでしょうか? Keerthy Menon 氏は、「これらのシステムは非常に効率的ですが、私たちは実験協力者と概念実証を行っただけです。有用な量子エンジンを作るには多くの課題があります。」と説明しています。
温度が高すぎると熱によって量子効果が破壊される可能性があるため、研究者は系をできるだけ低温に保つ必要があります。ただし、このような低温で実験を実行するには、敏感な量子状態を保護するために多量のエネルギーが必要です。
研究の次のステップには、システムの動作に関する基本的な理論的問題の解決、そのパフォーマンスの最適化、バッテリーやセンサーなどの他の一般的に使用されるデバイスへの潜在的な適用可能性の調査が含まれます。