Inom den klassiska termodynamiken har värmemaskiner och kylsystem tydligt skilda uppgifter. En värmemotor omvandlar värme till användbart arbete, medan ett kylsystem använder energi för att transportera värme från en kall plats till en varmare.
Nu har forskare presenterat en kvantteoretisk modell som utmanar den traditionella uppdelningen. Genom att utnyttja kvantmekanikens unika egenskaper har de visat att en och samma kvantvärmemaskin i teorin kan utföra båda uppgifterna samtidigt – den kan både generera arbete och kyla ett kallare system. Resultaten ger nya insikter i kvanttermodynamik och kan få betydelse för framtidens kvantteknik.
Kvantmekaniken bryter mot den klassiska intuitionen
I ett vanligt kylskåp och en traditionell värmemotor sker processerna i en bestämd ordning.
Den nya forskningen bygger däremot på ett kvantfenomen där två termiska processer kan existera i en superposition av olika ordningsföljder. Med andra ord behöver systemet inte först genomgå den ena processen och sedan den andra – på kvantnivå kan båda ordningarna samexistera samtidigt.
Forskarna visar att detta skapar ett ovanligt värmeflöde som inte är möjligt enligt klassisk fysik och som gör att maskinen kan utföra två olika termodynamiska uppgifter parallellt.
Samtidigt arbete och kylning
I den föreslagna modellen producerar systemet mekaniskt arbete samtidigt som det transporterar bort värme från ett kallare område.
Detta skiljer sig från konventionella maskiner, där en värmemotor och ett kylsystem normalt kräver olika arbetscykler eller separata konstruktioner. Den kvantmekaniska lösningen gör det möjligt att kombinera funktionerna utan att bryta mot termodynamikens lagar.
Nyckeln ligger i hur kvanttillstånd och värmeflöden samverkar när processerna inte längre följer en enda bestämd tidsordning.
Kan bli värdefullt för kvantdatorer
Effektiv temperaturkontroll är en av de största utmaningarna inom kvantteknik.
Kvantdatorer och andra kvantsystem fungerar ofta endast vid extremt låga temperaturer, där även små mängder oönskad värme kan störa de känsliga kvanttillstånden.
Om framtida kvantvärmemaskiner kan kombinera kylning och energiproduktion i ett enda system skulle de kunna bidra till mer energieffektiva kvantprocessorer och andra avancerade kvantkomponenter. Resultaten är dock fortfarande teoretiska och återstår att verifiera experimentellt.
Utmanar vår syn på termodynamik
Termodynamikens grundlagar gäller även i kvantvärlden, men kvantmekaniken gör att energiflöden kan bete sig på oväntade sätt.
Den nya studien visar hur kvantsuperposition kan användas för att skapa termodynamiska effekter som saknar motsvarighet i klassisk fysik. Det innebär inte att fysikens lagar sätts ur spel, utan att kvantmekaniken öppnar för fler möjliga sätt att utnyttja dem.
Forskningen bidrar därför till en växande förståelse för hur kvantresurser kan användas för att utveckla nya typer av energisystem och informationsbehandling.
Fortfarande ett teoretiskt genombrott
Även om resultaten är lovande handlar det än så länge om en teoretisk modell.
Nästa steg blir att undersöka om konceptet kan realiseras i praktiska kvantsystem, exempelvis med supraledande kvantkretsar, fångade joner eller andra experimentella plattformar. Först då kan forskarna avgöra hur stor den praktiska nyttan blir och vilka tekniska begränsningar som finns.
Samtidigt visar arbetet att kvanttermodynamiken fortsätter att utvecklas snabbt och att kvantmekanikens ovanliga egenskaper kan ge upphov till helt nya typer av energimaskiner.
En glimt av framtidens kvantteknik
I takt med att kvantdatorer, kvantkommunikation och andra kvantteknologier närmar sig praktisk användning ökar behovet av smartare sätt att hantera energi och värme.
Den nya studien visar att kvantmekaniken inte bara kan förbättra beräkningar och kommunikation, utan även förändra hur vi ser på själva grunden för termodynamiska processer. Om konceptet kan omsättas i verkliga system kan framtidens kvantmaskiner bli betydligt mer mångsidiga än dagens teknik – med förmågan att både leverera arbete och kyla samtidigt.
Publikationsuppgifter
Qing-Feng Xue m.fl., Anomalous Heat Flows and Quantum Otto Engine with (In)definite Causal Order, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/sx1m-pdhz. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2511.04028
