Физики из Палермо создали квантовый двигатель, работающий как холодильник и генератор энергии одновременно

Meccanica quantistica, quando il caldo assorbe calore dal freddo: la scoperta dei fisici palermitani Un nuovo studio, accettato per la pubblicazione su Physical Review Letters, mostra come particolari processi quantistici possano invertire il normale verso degli scambi energetici. I ricercatori dell'Università di Palermo hanno inoltre simulato con fotoni un motore Otto capace di produrre lavoro e, nello stesso ciclo, svolgere una funzione refrigerante Un nuovo studio scientifico accettato per la pubblicazione sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters (American Physical Society) dimostra che un sistema quantistico può assorbire calore anche quando inizialmente è più caldo dell’ambiente con cui interagisce, un fenomeno che prende il nome di “flusso anomalo di calore”. Ancora più sorprendentemente, questo effetto viene utilizzato per progettare e simulare sperimentalmente un motore Otto quantistico capace di produrre lavoro utile e, allo stesso tempo, funzionare come un frigorifero.  Lo studio vede coinvolti il dottor Enrico Russo, assegnista di ricerca, e il professor Rosario Lo Franco del dipartimento di Ingegneria dell’Università di Palermo, in collaborazione con il professor Giulio Chiribella della Hong Kong University e con il gruppo teorico-sperimentale guidato dal professor Zhong-Xiao Man (Qufu University, Cina). “Il calore scorre normalmente dagli oggetti caldi verso quelli freddi. È una delle regole più familiari della natura: il caffè si raffredda, il ghiaccio si scioglie e i motori funzionano sfruttando differenze di temperatura - spiegano i ricercatori -. Questo studio mostra che, nel mondo quantistico, il calore può comportarsi in modo molto meno intuitivo. L’ingrediente chiave è una proprietà quantistica chiamata ordine causale indefinito”.  I ricercatori spiegano come “nella vita quotidiana, gli eventi avvengono secondo una sequenza ben definita: prima A e poi B, oppure prima B e poi A. In fisica quantistica, invece, è possibile realizzare situazioni in cui due ordini alternativi vengono posti in sovrapposizione coerente. Nel cosiddetto quantum switch, un sistema può sperimentare due processi in un ordine che non è stabilito in anticipo. Nel nuovo lavoro, il team ha studiato cosa accade quando questi due processi sono termalizzazioni, cioè interazioni che normalmente porterebbero un sistema in equilibrio con una sorgente di calore”.  Secondo Zhong-Xiao Man, “l’aspetto sorprendente è che la direzione dello scambio di calore non è determinata soltanto dalle temperature. Quando l’ordine di due processi di termalizzazione viene controllato in modo coerente, un sistema quantistico può mostrare flussi di calore impossibili in una descrizione classica ordinaria”. I ricercatori hanno trovato che il quantum switch può invertire, in condizioni opportune, la direzione usuale dello scambio di calore. Un sistema più caldo della sorgente può comunque assorbire calore da essa, mentre un sistema più freddo può cedere calore a un ambiente più caldo. Questo non viola il secondo principio della termodinamica: l’effetto richiede coerenza quantistica, una risorsa fragile associata al sistema di controllo che determina l’ordine dei processi. In altre parole, il flusso “controcorrente” del calore ha un costo, pagato sotto forma di una risorsa genuinamente quantistica. Il passo successivo è stato trasformare questo flusso anomalo di calore nel principio di funzionamento di una macchina termica quantistica. Il ciclo proposto è una versione quantistica del motore Otto, il ciclo termodinamico alla base di molti motori ordinari. A differenza di un motore standard, però, questa macchina quantistica può generare lavoro e contemporaneamente estrarre calore da una sorgente fredda, combinando nello stesso ciclo il comportamento di un motore e quello di un frigorifero. Un risultato particolarmente importante riguarda l’origine dell’effetto. Il team ha dimostrato che queste proprietà termodinamiche non convenzionali non sono esclusive dell’ordine causale indefinito. “La stessa azione di due processi di termalizzazione inseriti in un quantum switch può essere riprodotta esattamente da un circuito quantistico equivalente in cui i processi sono disposti in parallelo e l’ordine causale è ben definito - commenta Giulio Chiribella -. Il confronto, quindi, non è tra fisica quantistica e fisica classica, ma tra due diversi modi di organizzare operazioni quantistiche: uno con ordine causale indefinito e uno con ordine causale definito. L’ordine causale indefinito offre un modo molto elegante per produrre questi effetti, ma il nostro lavoro mostra anche un punto concettualmente importante: per canali di termalizzazione, la stessa trasformazione può essere riprodotta da un circuito quantistico causalmente ordinato. Questo aiuta a chiarire che cosa sia davvero dovuto all’ordine causale indefinito e che cosa dipenda più in generale dal controllo coerente di processi quantistici. Questa conclusione chiarisce l’interpretazione dei vantaggi termodinamici precedentemente attribuiti all’ordine causale indefinito”.  Per Ernico Russo, “essa mostra che, almeno per i processi di termalizzazione studiati in questo lavoro, il quantum switch non fornisce un vantaggio impossibile in linea di principio per circuiti quantistici causalmente ordinati. Tuttavia, il quantum switch rimane molto vantaggioso dal punto di vista pratico. Infatti, dimostriamo che tale schema è più adatto a implementazioni fotoniche in spazio libero, nelle quali i diversi ordini causali possono essere codificati in cammini ottici distinti e poi ricombinati tramite interferometria”.  A supporto della teoria, il team ha realizzato due esperimenti ottici con fotoni. Nel primo apparato è stato simulato il flusso anomalo di calore generato dal quantum switch. Nel secondo è stato simulato l’intero ciclo Otto quantistico basato sullo stesso meccanismo. Gli esperimenti confermano gli scambi di calore previsti teoricamente e mostrano come piattaforme fotoniche possano riprodurre comportamenti termodinamici che sarebbero estremamente difficili da osservare in sistemi macroscopici convenzionali. Come spiega Rosario Lo Franco, “uno degli aspetti più interessanti di questo lavoro è che un effetto termodinamico fortemente controintuitivo può essere esplorato con fotoni in un laboratorio di ottica quantistica. Questo rende il risultato non solo concettualmente rilevante, ma anche sperimentalmente accessibile. Il lavoro apre una nuova prospettiva sul rapporto tra calore, informazione e causalità nella fisica quantistica. Non promette motori capaci di aggirare le leggi della termodinamica, ma mostra che il modo in cui i processi quantistici sono organizzati può modificare profondamente gli scambi di energia. Questa intuizione potrebbe rivelarsi importante per le future tecnologie quantistiche, nelle quali gestione del calore, controllo coerente e trattamento dell’informazione dovranno operare insieme su scale microscopiche”.