Les scientifiques révèlent des possibilités passionnantes pour développer des dispositifs quantiques efficaces. La mécanique quantique est une branche de la physique qui explore les propriétés et les interactions des particules à des échelles extrêmement petites, comme les atomes et les molécules. Cela a conduit au développement de nouvelles technologies plus puissantes et plus efficaces que les technologies traditionnelles, conduisant à des percées dans des domaines tels que l'informatique, les communications et l'énergie.
Un bond en avant dans la conception des moteurs
À l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa (OIST), des chercheurs du département des systèmes quantiques, en collaboration avec des scientifiques de l'université de Kaiserslautern-Landau et de l'université de Stuttgart, ont conçu et construit un moteur basé sur les règles spéciales auxquelles obéissent les particules à des échelles extrêmement petites.
Ils ont développé un moteur qui utilise les principes de la mécanique quantique pour générer de l’énergie, plutôt que la manière habituelle de brûler du carburant. L'article décrivant ces résultats a été 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 des moteurs quantiques
Dans un moteur de voiture classique typique, un mélange de carburant et d’air est enflammé dans une cavité. La chaleur générée par l'explosion chauffe le gaz dans la cavité, qui à son tour pousse le piston vers l'intérieur et l'extérieur, produisant ainsi le travail nécessaire pour faire tourner la roue.
Dans leur moteur quantique, les chercheurs ont remplacé l’utilisation de la chaleur en modifiant les propriétés quantiques des particules présentes dans le gaz. Pour comprendre comment ce changement alimente un moteur, nous devons savoir que toutes les particules dans la nature peuvent être classées comme bosons ou fermions en fonction de leurs propriétés quantiques particulières.
À des températures extrêmement basses, 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 des moteurs. Plutôt que de chauffer et de refroidir cycliquement un gaz comme un moteur classique, un moteur quantique fonctionne en transformant les bosons en fermions et inversement.
"Pour transformer un fermion en boson, vous combinez deux fermions en une molécule. Cette nouvelle molécule est un boson. Après l'avoir décomposée, nous pouvons récupérer le fermion." Le professeur Thomas Busch, responsable du groupe Quantum Systems, a expliqué : « En effectuant cela en boucle, nous pouvons alimenter le moteur sans utiliser de chaleur. »
L’efficacité et le potentiel des moteurs quantiques
Bien que ce moteur ne fonctionne que dans un état quantique, l’équipe de recherche a constaté qu’il est assez efficace, atteignant jusqu’à 25 % dans le dispositif expérimental existant établi par des collaborateurs allemands.
Ce nouveau moteur constitue un développement passionnant dans le domaine de la mécanique quantique et a le potentiel de faire progresser davantage le domaine émergent des technologies quantiques. Mais cela signifie-t-il que nous verrons bientôt la mécanique quantique alimenter les moteurs des voitures ? Keerthy Menon explique : "Bien que ces systèmes soient très efficaces, nous n'avons réalisé qu'une validation de principe avec des collaborateurs expérimentaux. La création d'un moteur quantique utile comporte de nombreux défis."
La chaleur peut détruire les effets quantiques si la température est trop élevée. Les chercheurs doivent donc maintenir le système aussi froid que possible. Cependant, mener des expériences à des températures aussi basses nécessite beaucoup d’énergie afin de protéger les états quantiques sensibles.
Les prochaines étapes de la recherche consisteront à résoudre 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.