Эффективность фотонного квантового двигателя приблизилась к ста процентам

Корейские физики изготовили первый в мире квантовый двигатель, использующий квантовую когерентность резервуара. Для этого они использовали в качестве рабочего тела фотонный газ в резонаторе, через который пролетают сверхизлучающие атомы. Таким способом им удалось достичь 98-процентной эффективности двигателя. Исследование опубликовано в Nature Photonics.

Квантовые тепловые двигатели, впервые описанные Сковилом и Шульцем-Дюбуа в 1959 году, могут превзойти свои классические аналоги за счет использования квантово-механических принципов. Для этого рабочее тело должно обладать дискретной энергетической структурой, а потому на его роль пока годятся только атомы, молекулы или наночастицы. Подробнее о принципе их работы читайте в материале «Двигатель квантового сгорания».

Главной особенностью квантовых тепловых двигателей считается их способность обладать эффективностью, превышающей эффективность цикла Карно — предел, ограничивающий классические тепловые машины. Достичь такого превосходства удалось сравнительно недавно на уровнях NV-центров в алмазе, часть из которых играла роль рабочего тела, а часть — резервуаров. Физики повторили этот успех и с квантовыми двигателями иной природы, например, нанопластиной арсенида галлия.

Важно, что принципы квантового двигателя универсальны: они оперируют абстрактными квантовыми системами, что дает ученым гибкость в их реализации. Среди прочего интерес представляет использование фотонов в резонаторе в качестве рабочего тела, поскольку в этом случае также реализуется дискретность состояний. Более того, было показано, что фотонные двигатели могут быть существенно усилены благодаря явлению сверхизлучения — то есть коллективному испусканию атомами света. Его интенсивность пропорциональна квадрату числа атомов, а значит, это позволит быстро масштабировать выходную мощность двигателя. Несмотря на такие перспективы, фотонные квантовые двигатели с применением сверхизлучения еще никто не реализовывал.

Впервые это удалось сделать группе корейских физиков под руководством Ан Гён Вон (Kyungwon An) из Сеульского национального университета. Они показали, что использование сверхизлучения способно существенно увеличить эффективность квантового двигателя за счет большой разницы между температурой рабочего тела и резервуаров, а также допускает его нелинейное масштабирование. В своем эксперименте исследователи добились коэффициента полезного действия, равного 98 процентам.

В качестве рабочего тела физики использовали состояние фотонов в резонаторе, через которые пролетали атомы бария, а в качестве резервуара — сами атомы, связанные с полем резонатора. Впрыск атомов перпендикулярно оси резонатора они производили через пластину с периодически расположенными отверстиями. Период был выбран равным длине волны резонансной моды, чтобы взаимодействие всех атомов со светом было сфазировано. Авторы имели возможность отстраивать частоту лазера и частоту резонанса от частоты перехода в атоме, соответствующей длине волны 791 нанометр. В тот момент, когда первые две оказывались равны, атомы сверхизлучали.

Цикл, в котором работал фотонный двигатель, напоминал классический цикл Стирлинга. В роли объема выступала отстройка резонатора от атомной частоты, измеряемая в мегагерцах. Давление же, создаваемое фотонным газом на стенки резонатора, ученые характеризовали средним числом фотонов, которое также поддавалось измерению в эксперименте. В этих двух координатах цикл представлял собой замкнутый прямоугольник.

На первом этапе цикла A→B физики согласовывали частоты лазера и резонатора, немного отличающиеся от атомной частоты. В течение одной микросекунды число фотонов изохорно росло, увеличивая давление на стенки. На этапе расширения B→C авторы синхронно отстраивали обе частоты еще дальше от атомной, что соответствовало увеличению объема фотонного газа. Затем они резко меняли частоту лазера (процесс C→D), чтобы выключить сверхизлучение и привести газ в равновесие с резервуаром, уменьшив число фотонов в резонаторе. Наконец, стадия сжатия D→A возвращала цикл к исходной точке.

Важной особенностью такого двигателя стало соотношение температур резервуара и рабочего тела. Стоит отметить, что понятие температуры в такой системе несколько отличается от температуры атомных и молекулярных газов, в случае которых она становится мерой их средней кинетической энергии. Здесь температура выступает в роли меры статистических свойств системы, поэтому ее называют эффективной. Значения эффективных температур существенно выше (тысячи кельвин), чем привычные температуры, поскольку они характеризуют более высокоэнергичные процессы, чем броуновское движение.

В отсутствии сверхизлучения фотонный газ находится в термодинамическом равновесии с атомами: в такой ситуации эффективная температура довольно точно характеризует распределение системы по степенями свободы. В сверхизлучательном же режиме равновесия нет. Тем не менее физики все равно вводят эффективную температуру для такого состояния, равную температуре эквивалентного равновесного состояния с таким же энергообменом.

Примечательно, что эффективная температура резервуара постоянна весь цикл, в то время как температура газа то растет, то возвращается к резервуарному значению. Это делает изменение энтропии за замкнутый цикл нулевым. Авторы определяли температуру резервуара через связь атомов с резонатором, а температуру фотонного газа — через отношение числа фотонов в текущем (например, сверхизлучающем) состоянии к равновесному числу фотонов.

Строя зависимость температуры газа от среднего числа атомов в резонаторе, они увидели ее нелинейный рост, как того предписывает явление сверхизлучения. Для двух атомов в резонаторе отношение температуры газа к температуре резервуара достигло 40, из-за чего эффективность двигателя оказалась равной 98 ± 4 процента. И хотя фактически число атомов в резонаторе штучно, на интенсивность сверхизлучения влияет то, как часто они успевают провзаимодействовать с полем. В представленном опыте это происходило в среднем 20 раз на время пролета атома.

Работа построенного двигателя за один цикл довольно мала — порядка 10⁻²⁸ джоулей, — поэтому пока речь не идет о практическом применении таких устройств. Вместе с тем, это первая реализация теплового двигателя, использующего квантовую когерентность резервуара, что позволило приблизиться к стопроцентной эффективности. Результат работы авторов также представляет собой универсальную платформу для будущих исследований квантовой термодинамики.

Ранее мы рассказывали, как физики пытались увеличить эффективность квантового двигателя с помощью магнитного резонанса ядер углерода.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

О фотонах, фотонных ракетах и…

О фотонах, фотонных ракетах и…

В редакцию поступило письмо
от учителей физики школы № 6 г. Лысьва Пермской
обл. Е.Д.Багниной и Е.С.Увицкой: «В этом учебном
году на олимпиаде по физике космоса и астрономии
(муниципальный этап) была предложена следующая
задача.

Принцип действия фотонного
звездолета. В фокусе идеального параболического
зеркала находится источник фотонов,
получающихся в результате аннигиляции вещества
и антивещества. После отражения от зеркала
фотоны летят параллельным пучком. Найти скорость
звездолета, если его масса до начала движения
равна m, а после разгона – m₀. Какую часть
начальной массы можно разогнать до скорости 0,999с?

В связи с публикациями в
газете «Физика», касающимися методики
преподавания теории относительности, в
частности в связи с вопросом о массе, зависящей
от скорости, имеет ли смысл решать эту задачу?
Может быть, эту задачу можно решить, не используя
релятивистские законы?»

Ответ может представлять
интерес для многих учителей физики. Поэтому
приводим решение этой задачи с комментариями.

1. При анализе возможностей
гипотетической фотонной ракеты надо отделить
вопрос о том, как работает фотонный двигатель, от
вопроса о том, как происходит разгон ракеты с
таким двигателем. И в том и в другом случае для
анализа необходимо использовать законы частной
теории относительности (ЧТО). Решать
предложенную задачу с помощью нерелятивистских
законов сохранения энергии и импульса в принципе
неверно.

2. Суть конструкции фотонного
двигателя состоит в использовании реакции
аннигиляции вещества и антивещества, в которой
образуются фотоны.

Примером такой реакции может
служить аннигиляция пары протон–антипротон с
образованием двух g-квантов. Вообще любая
частица, аннигилируя со своей античастицей,
может превратиться в пару фотонов. Такая реакция
теоретически является самой выгодной для
создания реактивного двигателя, т.к. в ней
образуются частицы (фотоны), летящие с
максимально возможной скоростью с. Как установил
еще Циолковский, эффективность работы
реактивного двигателя прямо пропорциональна
скорости истечения реактивной струи (в данном
случае – потока фотонов). Во-вторых, в реакции
аннигиляции происходит теоретически
максимально эффективное «сгорание» топлива, т.к.
энергия покоя частиц и античастиц полностью
превращается в энергию фотонов.

Часто используемое выражение
«при работе фотонного двигателя масса
превращается в энергию» – неудачно. Правильно
говорить именно о переходе энергии из одной
формы (энергии покоя вещества и антивещества) в
другую (энергию фотонов).

Мы не обсуждаем вопрос о том,
можно ли реально создать фотонный двигатель.

3. Поставленные в задаче
вопросы связаны c этапом разгона фотонной ракеты.
При решении следует использовать релятивистские
законы сохранения энергии–импульса и
соотношение Эйнштейна, связывающее энергию,
импульс и массу частиц. Напомним эти соотношения.
Пусть Е, р, v и m – энергия, импульс, скорость и
масса частицы соответственно. Тогда:

E² = p²c²
+ m²c⁴;           
(1)

p = Ev/c².
                        
(2)

Пусть каждый отраженный от
зеркала фотон имеет импульс p_g. Поскольку
масса фотона равна нулю, то в силу соотношения (1)
энергия каждого фотона равна Е_g = cp_g, где p_g – модуль
импульса фотона. Так как все фотоны летят
параллельно друг другу, то суммарный импульс,
унесенный фотонами за время разгона ракеты, р = еp_g. Отсюда
полная энергия излученных фотонов равна E = cp.

В силу закона сохранения
импульса полный импульс системы «ракета и
излученные фотоны» равен нулю, т. е. сама ракета
получит в конце разгона импульс р₀ = –р. По
модулю эти импульсы равны, следовательно, полная
энергия излученных фотонов может быть выражена
через модуль импульса ракеты:

E = cp₀.
                             
(3)

Запишем закон сохранения
энергии:

mc² = Е₀ + Е,
                     
(4)

где начальная энергия равна
энергии покоя ракеты до разгона, Е0 – энергия
ракеты после разгона, Е – энергия излученных за
время разгона фотонов. С учетом соотношения (3)
формула (4) запишется в виде:

mc² = Е₀ + ср₀.
                   
(5)

Кроме этого, из общего
соотношения (1) следует, что после разгона

E₀² – (cp₀)²
= m₀²c⁴.
           (6)

Уравнения (5) и (6) позволяют
найти связь между начальной и конечной массами
ракеты и достигнутой в результате разгона
скоростью v. Действительно, в силу соотношения (2)
cр₀ = Е₀v/c = bE₀, где b = v/c. Подставляя это соотношение в
формулы (5) и (6), получим:

mc² = (1 + b)E₀;
                      
(7)

m₀²c⁴ =
(1 – b²)E₀².
               
(8)

Разделив выражение (8) на
квадрат выражения (7), находим:

          
(9)

Это есть ответ на второй
вопрос задачи.

Выражая b через отношение масс, получаем
ответ на первый вопрос задачи:

                     
(10)

При v = 0,999с отношение m₀/m
» 0,02.

Заметим, что данная задача
взята из книги И.И.Воробьева «Теория
относительности в задачах» [М.: Наука, 1989].

Основные понятия | Фотонный двигатель

сервер
| v4

перейти на v5

Приложения

Приложение — это серверная логика игры.
Все функции игры (например, удаленный вызов процедур, хранение данных и т. д.) реализованы в приложении Photon.
Исходный код C# компилируется, а полученные сборки загружаются собственным ядром Photons.
Для настройки приложений и определения параметров запуска Photon Core использует файлы конфигурации.

Обычно вся логика игры представлена ​​в одном приложении.
Photon по-прежнему может запускать несколько приложений одновременно.
У каждого приложения может быть своя задача.
Например, можно создать отдельное приложение для отправки файлов политик веб-клиентам.

Клиент выбирает приложение, которое он хочет использовать, просто указывая имя приложения при подключении.

Вернуться к началу

Игровая логика

Логика игры определяет, как клиент может взаимодействовать с сервером.
Он реализует операции, события и все, что сервер делает сам.

Хорошей основой для игр на основе комнаты является «Приложение балансировки нагрузки», которое находится в папке SDK («{Server_SDK_path}/src-server/Loadbalancing»).

Если ваша игра будет представлять собой единый огромный мир, демонстрационное приложение MMO станет для него хорошей основой.
Это приложение управляет интересами ваших клиентов и предоставляет классы для предметов, свойств, актеров и многого другого.

Кроме того, любая игровая логика может быть разработана непосредственно поверх среды C#.
Точкой входа для этого является класс приложения, определенный в «Photon. Socketserver.dll».

Вернуться к началу

Операции

Операция в Photon’е эквивалентна удаленному вызову процедуры.
Клиенты Photon используют вызовы операций для всего, что хотят сделать.

Операции и все их параметры определяются в серверном приложении по мере необходимости.
Клиенты могут вызывать любую операцию, настроив хэш-таблицу с ключами и значениями, соответствующими соглашениям операции.
Платформы клиента и сервера заботятся о сериализации, передаче и десериализации.

Каждая операция также может дать результат.
Это один из способов предоставить клиенту запрошенные данные.
Конечно результат можно пропустить, что экономит трафик.

Вызовы и результаты операций находятся между одним клиентом и сервером.
Другие клиенты об этом не узнают.

Вернуться к началу

События

Photon Events — это сообщения для клиентов.
Каждое событие имеет байт-код и несет обновления игры.
«Приложение балансировки нагрузки» определяет несколько событий, но можно определить пользовательские события исключительно на стороне клиента.

В отличие от результатов операции, полученное событие, скорее всего, вызвало вызов операции другого клиента.
Это означает: События могут появиться в любое время. «LoadBalancing Application» отправляет события, когда кто-то входит в комнату или выходит из нее.

Операция RaiseEvent делает события по-настоящему универсальными:
Любой клиент может создавать новые события, составляя хэш-таблицу с данными и применяя код при ее отправке.
Игровые данные могут быть отправлены без необходимости смены сервера.

Конечно, для более сложной реакции сервера на события можно определить пользовательские операции, которые проверяют данные событий, компилируют их или создают другие события.

Вернуться к началу

Соединения и тайм-ауты

В отличие от простого UDP, надежный протокол UDP Photon устанавливает соединение между сервером и клиентами:
Команды в пакете UDP имеют порядковые номера и флаг, если они надежны.
Если это так, принимающая сторона должна подтвердить команду.
Надежные команды повторяются через короткие промежутки времени, пока не придет подтверждение.
Если он не приходит, время ожидания соединения истекает.

Обе стороны контролируют это соединение независимо друг от друга.
У обеих сторон есть свои правила, чтобы решить, доступна ли другая сторона.

При обнаружении тайм-аута происходит отключение на той стороне соединения.
Как только одна сторона думает, что другая сторона больше не отвечает, ей не отправляется сообщение.
Вот почему разъединения по тайм-ауту являются односторонними и не синхронными.

В начало документа

0 — Введение | Фотонный двигатель

PUN Classic (v1), PUN 2 и Bolt находятся в режиме обслуживания. Мы будем поддерживать Unity 2022 с PUN 2, но новых функций добавляться не будет. Конечно, все ваши проекты PUN & Bolt будут продолжать работать и работать с известной производительностью в будущем.
Для любых предстоящих или новых проектов: пожалуйста, переключитесь на Photon Fusion или Quantum.

каламбур
| v2

переключиться на версию 1

Учебник по основам PUN основан на Unity.
Мы разработаем первую простую многопользовательскую игру с PUN 2, используя Photon Cloud.
Цель состоит в том, чтобы синхронизировать анимированного персонажа для каждого игрока, значения здоровья и базовую съемку raycast.

Вот как это будет выглядеть.

По ходу дела мы изучим множество важных функций, советов и приемов, чтобы получить хорошее представление о подходе к сетевой разработке с помощью PUN 2.

Содержимое

• Обзор
  • Что нужно знать
• Фотонное Облако
  • Поехали: импорт PUN и настройка
  • Идентификаторы приложений и версия игры
  • Регионы
  • Номера
  • Вестибюль
• Развитие
• Помимо учебника

Обзор

Этот учебник шаг за шагом проведет вас через весь процесс создания, начиная с пустого проекта.
Попутно будут объяснены концепции, а также распространенные ловушки и рекомендации по проектированию сетевых игр.

Мы реализуем простой пользовательский интерфейс для ввода псевдонима и будем показывать пользователю процесс подключения.

В игре может участвовать до 4 игроков, а размер арены зависит от количества игроков в комнате. Это в основном для того, чтобы показать несколько концепций синхронизации сцен: как работать с игроками при загрузке разных сцен и что может пойти не так при этом 🙂

Чтобы игроки не просто ходили и ничего не делали, мы реализуем базовую систему стрельбы в сочетании с управлением здоровьем игрока. Тем самым мы научимся синхронизировать переменные по сети.

Когда ваше здоровье становится равным 0, игра заканчивается, и вы покидаете арену. Затем вам снова будет представлен вводный экран, позволяющий при желании начать новую игру.

Вернуться к началу

Что нужно знать

В этом руководстве рассматриваются только самые основы использования редактора Unity и программирования.
Тем не менее, желательно иметь хорошие знания и некоторый опыт создания игр, чтобы сосредоточиться на новых концепциях, которые представляет Photon Unity Networking.

Пример кода написан на C#.

Вернуться к началу

Фотонное Облако

Поехали: импорт PUN и настройка

Убедитесь, что вы работаете с версией Unity, равной или выше 2017.4 (бета-версии не рекомендуются).
Создайте новый проект, это рекомендуется при работе с учебными пособиями в целом.

Откройте Asset Store, найдите ресурс PUN 2 и загрузите/установите его.
Позвольте Unity перекомпилировать, когда вы импортируете все активы.

Мастер настройки PUN поможет вам с настройками сети и
предлагает удобный способ начать нашу многопользовательскую игру:
Фотонное облако!

Облако? Да, Облако.
Это группа серверов Photon, которые мы можем использовать для нашей игры.
Мы объясним немного.

Использование Облака с «Бесплатным планом» бесплатно и без обязательств, поэтому сейчас мы просто вводим свой адрес электронной почты, и Мастер делает свое волшебство.

Снимок экрана Photon Cloud: регистрация в облаке

Новые учетные записи сразу получают «AppId». Если ваш почтовый адрес уже зарегистрирован, вам будет предложено открыть панель инструментов.
Войдите и получите «AppId», чтобы вставить его в поле ввода.

Когда AppId сохранен, мы закончили этот шаг.

Фотонное Облако

Так что же делает это «Фотонное Облако»?!

По сути, это группа машин с запущенным на них Photon Server.
Это «облако» серверов поддерживается Exit Games и предлагается как беспроблемный сервис для ваших многопользовательских игр.
Серверы добавляются по запросу, поэтому можно иметь дело с любым количеством игроков.

Несмотря на то, что Photon Cloud не является полностью бесплатным, его стоимость невелика, особенно по сравнению с обычным хостингом.
Подробнее о ценах читайте здесь.

Photon Unity Networking будет управлять Photon Cloud за вас, но вкратце вот что происходит внутри:

Каждый сначала подключается к «Серверу имен».
Он проверяет, какое приложение (с помощью AppId) и какой регион хочет использовать клиент.
Затем он перенаправляет клиента на главный сервер.

Главный сервер является центром группы региональных серверов. Он знает все комнаты для этого региона.
Каждый раз, когда создается комната (матч/игра) или к ней присоединяются, клиент перенаправляется на один из других компьютеров, который называется «Игровой сервер».

Настройка в PUN до смешного проста, и вам не нужно заботиться о
расходы на хостинг, производительность или техническое обслуживание. Ни разу.

Вернуться к началу

Идентификаторы приложений и версия игры

Поскольку все подключаются к одним и тем же серверам, должен быть способ отделить ваших игроков от всех остальных.

Каждое название (как в игре, приложении) получает свой собственный «AppId» в облаке.
Игроки будут встречаться только с другими игроками с таким же «AppId».

Существует также «Версия игры». Это строка, которую вы можете редактировать, и она будет отделять игроков со старыми клиентами от тех, у кого новые.

Вернуться к началу

Регионы

Фотонное облако организовано в отдельных регионах по всему миру для оптимального взаимодействия между игроками.

Каждый регион отделен от всех остальных, что важно помнить при работе с удаленными командами, разбросанными по разным регионам. Убедитесь, что вы оказались в том же регионе.

PUN 2 поможет вам определить «Регион разработки», который используется для всех сборок разработки.

Вернуться к началу

Номера

Фотонное облако создано для «комнатных игр», что означает, что в каждом матче участвует ограниченное количество игроков (скажем, до 16), отдельно от всех остальных.
В комнате все получают то, что отправляют другие (если только вы не отправляете сообщения определенным игрокам).
Вне комнаты игроки не могут общаться, поэтому мы всегда хотим, чтобы они оказались в комнатах как можно скорее.

Лучший способ попасть в комнату — использовать случайный подбор игроков: просто запросите у сервера любую комнату или укажите некоторые свойства, которые ожидает игрок.

Все комнаты имеют имя в качестве идентификатора.
Если комната не заполнена или закрыта, мы можем присоединиться к ней по имени.
Удобно, что главный сервер может предоставить список комнат для нашего приложения.

Вернуться к началу

Вестибюль

На главном сервере существует лобби для вашего приложения, в котором перечислены комнаты для вашей игры. Это не позволяет игрокам общаться друг с другом!

В нашем примере мы не будем использовать лобби, а просто присоединимся к случайной комнате, если она доступна, или создадим новую комнату, если ни одна из существующих комнат не может быть присоединена (комнаты могут иметь максимальную вместимость, поэтому они потенциально могут быть все полны).

Вернуться к началу

Разработка

Каждый раздел этого руководства охватывает определенную часть этапа разработки проекта.
Уровень предположений о сценариях и знании Photon постепенно увеличивается.
В лучшем случае проработайте их по порядку.

1. Создание основной сцены лобби.
2. Улучшение сцены вестибюля с помощью пользовательского интерфейса (UI).
3. Создание игровых сцен.
4. Реализация загрузки уровней.
5. Создание базовой сборки проигрывателя.
6. Заставить камеру следовать за вашим игроком.
7. Изменение префаба проигрывателя для добавления сетевых функций.
8. Создание экземпляра игрока и переключение сцен.
9. Пользовательский интерфейс игрока (UI).

Наверх

Помимо учебника

Конечно, чтобы создать полноценную игру, нужно сделать гораздо больше, но это только построение на фундаменте, который мы рассмотрели здесь.

• Обязательно прочтите раздел «Начало работы».
• Будьте любопытны, изучите документацию и справку по API, чтобы получить общее представление о том, что доступно.
  Скорее всего, вам не понадобится все сразу, но оно вернется в память, когда вам это понадобится, или при реализации новой функции.