Wissenschaftler enthüllen spannende Möglichkeiten für die Entwicklung effizienter Quantengeräte. Die Quantenmechanik ist ein Zweig der Physik, der die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Teilchen auf extrem kleinen Skalen wie Atomen und Molekülen erforscht. Dies hat zur Entwicklung neuer Technologien geführt, die leistungsfähiger und effizienter sind als herkömmliche Technologien, was zu Durchbrüchen in Bereichen wie Computer, Kommunikation und Energie geführt hat.
Ein Quantensprung im Motorenbau
Am Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) haben Forscher der Abteilung Quantensysteme in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Kaiserslautern-Landau und der Universität Stuttgart einen Motor entworfen und gebaut, der auf den besonderen Regeln basiert, denen Teilchen in extrem kleinen Maßstäben unterliegen.
Sie haben einen Motor entwickelt, der die Prinzipien der Quantenmechanik nutzt, um Strom zu erzeugen, anstatt wie üblich Kraftstoff zu verbrennen. Der Artikel, der diese Ergebnisse beschreibt, wurde von den OIST-Forschern Keerthy Menon, Dr. Eloisa Cuestas, Dr. Thomas Fogarty und Professor Thomas Busch gemeinsam verfasst und in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Vergleich klassischer Motoren und Quantenmotoren
In einem typischen Oldtimermotor wird in einem Hohlraum ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft gezündet. Die durch die Explosion erzeugte Wärme erhitzt das Gas im Hohlraum, was wiederum den Kolben hinein- und herausdrückt und dabei Arbeit zum Drehen des Rades erzeugt.
In ihrer Quantenmaschine ersetzten die Forscher den Einsatz von Wärme, indem sie die Quanteneigenschaften von Teilchen im Gas veränderten. Um zu verstehen, wie diese Veränderung einen Motor antreibt, müssen wir wissen, dass alle Teilchen in der Natur aufgrund ihrer besonderen Quanteneigenschaften entweder als Bosonen oder Fermionen klassifiziert werden können.
Bei extrem niedrigen Temperaturen, bei denen Quanteneffekte wichtig werden, haben Bosonen einen niedrigeren Energiezustand als Fermionen, und dieser Energieunterschied kann zum Antrieb von Motoren genutzt werden. Anstatt ein Gas wie ein klassischer Motor zyklisch zu erhitzen und abzukühlen, funktioniert ein Quantenmotor, indem er Bosonen in Fermionen und wieder zurück umwandelt.
„Um ein Fermion in ein Boson umzuwandeln, kombiniert man zwei Fermionen zu einem Molekül. Dieses neue Molekül ist ein Boson. Nachdem wir es zerlegt haben, können wir das Fermion wieder zurückbekommen.“ Professor Thomas Busch, Leiter der Quantum Systems Group, erklärte: „Indem wir dies in einem Kreislauf tun, können wir den Motor antreiben, ohne Wärme zu verbrauchen.“
Die Effizienz und das Potenzial von Quantenmaschinen
Obwohl dieser Motor nur in einem Quantenzustand arbeitet, stellte das Forschungsteam fest, dass er recht effizient ist und im bestehenden experimentellen Aufbau deutscher Mitarbeiter einen Wirkungsgrad von bis zu 25 % erreicht.
Dieser neue Motor stellt eine spannende Entwicklung auf dem Gebiet der Quantenmechanik dar und hat das Potenzial, das aufstrebende Gebiet der Quantentechnologien weiter voranzutreiben. Aber bedeutet das, dass wir bald Quantenmechanik als Antrieb für Automotoren sehen werden? Keerthy Menon erklärt: „Obwohl diese Systeme sehr effizient sind, haben wir mit experimentellen Mitarbeitern nur einen Proof-of-Concept durchgeführt. Es gibt viele Herausforderungen bei der Entwicklung einer nützlichen Quantenmaschine.“
Die Hitze kann Quanteneffekte zerstören, wenn die Temperatur zu hoch ist, daher müssen Forscher das System so kalt wie möglich halten. Allerdings erfordert die Durchführung von Experimenten bei solch niedrigen Temperaturen viel Energie, um empfindliche Quantenzustände zu schützen.
Die nächsten Forschungsschritte umfassen die Lösung grundlegender theoretischer Fragen zum Betrieb des Systems, die Optimierung seiner Leistung und die Untersuchung seiner möglichen Anwendbarkeit auf andere häufig verwendete Geräte wie Batterien und Sensoren.