Les mesures quantiques pourraient alimenter un moteur minuscule et hyper efficace

Il faut de l'énergie pour pousser une balle en haut d'une colline. Un moteur quantique pourrait être capable de faire un travail similaire en effectuant des mesures répétées.

Michael Blann / Getty Images

Vous ne pouvez pas mesurer un atome sans le perturber, du moins selon la mécanique quantique. Cet effet peut sembler gênant, mais il pourrait alimenter un petit moteur qui pourrait fonctionner avec une efficacité de près de 100% - bien plus grande qu'un moteur de voiture, une paire de rapports de physiciens. Pour le moment, le "moteur de mesure" est purement hypothétique, mais les physiciens disent qu'il pourrait être possible d'en faire un.

«C'est une très bonne idée», explique David Herrera Martí, physicien chez ProbaYes, une entreprise de technologie quantique à Montbonnot-Saint-Martin, en France. "Vous pourriez imaginer avoir un essaim de petites machines moléculaires qui sont entraînés très efficacement avec un laser."

Un moteur est une machine qui répète un cycle de mouvements pour convertir l'énergie en travail utile, comme pousser votre voiture sur la route. La plupart des moteurs absorbent l'énergie thermique d'un «bain chaud» - dans le moteur de votre voiture, les gaz chauds produits par l'explosion du carburant. Pour continuer à caler, un moteur doit retourner à plusieurs reprises à sa configuration d'origine et dans le processus, il doit perdre de la chaleur à un «bain froid» - pour votre voiture, l'environnement. Requis par la deuxième loi de la thermodynamique, ce gaspillage d'énergie inévitable limite sévèrement l'efficacité d'un moteur thermique au-dessous d'un niveau fixé par les températures des bains. Une voiture typique convertit environ 25% de l'énergie de l'essence en mouvement.

Cependant, dans le domaine quantique du très petit, un moteur peut se nourrir d'une source d'énergie différente - l'énergie nécessaire pour mesurer la position d'une minuscule particule - et l'utiliser avec une efficacité presque complète, disent Cyril Elourad et Andrew Jordan. Université de Rochester à New York. Les deux ont conçu un système qui pourrait, par exemple, élever une particule contre l'attraction de la gravité juste en essayant de mesurer sa position encore et encore.

Imaginez une boule de bowling assis sur le sol d'un ascenseur. Peu importe combien de fois vous le regardez, sa position restera certaine. Mais rétrécissez la boule de bowling pour, disons, un seul neutron sur une plate-forme mobile minuscule, et la mécanique quantique change radicalement l'image. Parce que le neutron est si petit, sa position ne peut plus être prédite exactement. Au lieu de cela, le neutron doit être décrit par une onde quantique diffuse qui donne la probabilité de le trouver à différents endroits. L'onde quantique est un peu comme un nuage planant au-dessus de la plate-forme, dense près de la plate-forme où le neutron est susceptible d'être et de s'amincir plus haut. Ce n'est que lorsque la mesure se produit que la position du neutron devient connue.

Exploitant l'une ou l'autre ou la nature des mesures quantiques, Elourd et Jordan envisagent de mesurer si le neutron plane à une distance définie au-dessus de la plate-forme ou s'il est plus haut. Si le neutron est à l'intérieur de la zone de fermeture, ils quittent la plate-forme seule. Si le neutron est à l'extérieur de cette zone proche, il se déplace vers le haut de la plate-forme à la même distance, capturant essentiellement le neutron avant que la gravité le redescende. Répéter le processus lève graduellement le neutron contre la gravité , les chercheurs rapportent dans une étude publiée dans Lettres d'examen physique . Curieusement, la plate-forme elle-même n'exerce jamais de force pour élever le neutron. Au lieu de cela, l'énergie nécessaire pour soulever le neutron provient de la mesure elle-même.

Il y a une prise, cependant. La mesure modifie également l'onde quantique des neutrons. Et mesurer si le neutron est ou n'est pas proche de la plate-forme coupe la moitié de la vague originale. Cette modification de la scie à métaux nécessite beaucoup d'énergie. De plus, pour se préparer au prochain cycle du moteur, cette onde déchiquetée doit «se relâcher» jusqu'à la forme lisse initiale, ce qui signifie qu'elle doit perdre la plus grande partie de l'énergie qu'elle absorbe dans son environnement. Ces deux effets gâchent l'efficacité du moteur.

Pour éviter de telles pertes, Elouard et Jordan utilisent un dernier ingrédient clé: des mesures moins informatives. Ils imaginent changer la mesure pour que la définition de «sortie» reste la même: le neutron se trouve au-delà de la distance fixe de la plateforme, mais la définition de «in» devient plus vague: cela signifie seulement que la particule se trouve à une distance beaucoup plus grande à partir de la surface Si le neutron se trouve de manière ambiguë entre les deux bornes, une mesure quantique produira aléatoirement "out" ou "in".

Bizarrement, la mesure moins certaine fournit un gros bonus. Réglez les choses juste, et quand la mesure dit "dedans", elle laisse l'onde quantique du neutron presque inchangée. Quand il dit "dehors", la mesure laisse le neutron dans une onde presque identique à l'onde originale, mais décalée vers le haut. Fondamentalement, ces deux ondes qui se chevauchent ressemblent tellement à l'onde d'origine que, peu importe le résultat, très peu d'énergie est perdue en se relaxant et le neutron est prêt à commencer le cycle suivant. "C'est la partie la plus intelligente", dit Herrera Martí.

Le moteur peut fonctionner jusqu'à 99,8% d'efficacité, estiment Elouard et Jordan. Il pourrait être possible de construire un tel moteur, dit Jordan. "Vous ne pourriez pas faire marcher une locomotive", dit-il, "mais vous pourriez faire fonctionner un atome ou une molécule." Ce qu'une telle machine serait bonne reste cependant à voir.

Bien sûr, il y a des compromis. L'utilisation des mesures les moins sûres nécessite beaucoup plus de cycles pour soulever le neutron. Donc, le moteur de mesure quantique, bien qu'efficace, fait son travail lentement. En fin de compte, le moteur ne peut pas non plus échapper à la deuxième loi de la thermodynamique, note Herrera Martí. Bien que les chercheurs ne précisent pas leur dispositif de mesure, il doit s'agir d'une machine macroscopique qui devra gaspiller de l'énergie, dit-il. Pourtant, le moteur de mesure a mis un nouvel outil dans la boîte à outils de la mécanique quantique.

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