Le moteur quantique comprime un gaz de particules qui sont des bosons et décompresse un gaz de particules qui sont des fermions. Crédit : Mirijam Neve
Les scientifiques dévoilent des possibilités passionnantes pour le développement de dispositifs quantiques hautement efficaces.
La mécanique quantique est une branche de la physique qui explore les propriétés et les interactions des particules à très petite échelle, comme les atomes et les molécules. Cela a conduit au développement de nouvelles technologies plus puissantes et plus efficaces que leurs homologues conventionnelles, entraînant des percées dans des domaines tels que l’informatique, la communication et l’énergie.
Un bond en avant dans la conception des moteurs
À l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST), des chercheurs de l’unité des systèmes quantiques ont collaboré avec des scientifiques de l’université de Kaiserslautern-Landau et de l’université de Stuttgart pour concevoir et construire un moteur basé sur les règles spéciales auxquelles obéissent les particules. à très petite échelle.
Ils ont développé un moteur qui utilise les principes de la mécanique quantique pour créer de l’énergie, au lieu de la manière habituelle de brûler du carburant. L’article décrivant ces résultats est co-écrit par les chercheurs de l’OIST Keerthy Menon, le Dr Eloisa Cuestas, le Dr Thomas Fogarty et le professeur Thomas Busch et a été publié dans la revue Nature.
Comparaison des moteurs classiques et quantiques
Dans un moteur de voiture classique typique, un mélange de carburant et d’air est enflammé à l’intérieur d’une chambre. L’explosion qui en résulte chauffe le gaz dans la chambre, qui à son tour pousse un piston vers l’intérieur et l’extérieur, produisant un travail qui fait tourner les roues de la voiture.
Dans leur moteur quantique, les chercheurs ont remplacé l’utilisation de la chaleur par une modification de la nature quantique des particules présentes dans le gaz. Pour comprendre comment ce changement peut alimenter le moteur, nous devons savoir que toutes les particules dans la nature peuvent être classées comme des bosons ou des fermions, en fonction de leurs caractéristiques quantiques particulières.
À très basse température, où les effets quantiques deviennent importants, les bosons ont un état énergétique inférieur à celui des fermions, et cette différence d’énergie peut être utilisée pour alimenter un moteur. Au lieu de chauffer et de refroidir un gaz de manière cyclique comme le fait un moteur classique, le moteur quantique fonctionne en transformant les bosons en fermions et inversement.
« Pour transformer des fermions en bosons, vous pouvez prendre deux fermions et les combiner en une molécule. Cette nouvelle molécule est un boson. Le briser nous permet de récupérer à nouveau les fermions. En procédant ainsi de manière cyclique, nous pouvons alimenter le moteur sans utiliser de chaleur », a expliqué le professeur Thomas Busch, responsable de l’unité des systèmes quantiques.
Efficacité et potentiel du moteur quantique
Bien que ce type de moteur ne fonctionne qu’en régime quantique, l’équipe a constaté que son efficacité est assez élevée et peut atteindre jusqu’à 25 % avec le dispositif expérimental actuel construit par les collaborateurs en Allemagne.
Ce nouveau moteur constitue un développement passionnant dans le domaine de la mécanique quantique et a le potentiel de conduire à de nouvelles avancées dans le domaine en plein essor des technologies quantiques. Mais cela signifie-t-il que nous verrons bientôt la mécanique quantique alimenter les moteurs de nos voitures ? « Bien que ces systèmes puissent être très efficaces, nous n’avons réalisé qu’une preuve de concept avec nos collaborateurs expérimentaux », a expliqué Keerthy Menon. « La construction d’un moteur quantique utile reste encore de nombreux défis à relever. »
La chaleur peut détruire les effets quantiques si la température devient trop élevée. Les chercheurs doivent donc garder leur système aussi froid que possible. Cependant, cela nécessite une quantité d’énergie substantielle pour mener l’expérience à ces basses températures afin de protéger l’état quantique sensible.
Les prochaines étapes de la recherche consisteront à répondre à des questions théoriques fondamentales sur le fonctionnement du système, à optimiser ses performances et à étudier son applicabilité potentielle à d’autres dispositifs couramment utilisés, tels que les batteries et les capteurs.
