Демон Максвелла в квантовом режиме Зенона
В оригинальном эксперименте демон Максвелла делает непрерывные измерения в системе горячих и холодных резервуаров, создавая термический градиент, который впоследствии может быть использован для выполнения работы.
Поскольку измерения демона не поглощают энергию, оказывается, что демон нарушает второй закон термодинамики, хотя этот парадокс можно решить, учитывая, что демон использует информацию для выполнения своих задач сортировки.
Физикам известно, что когда квантовая система непрерывно измеряется, она «замерзает», т. е. перестает меняться, что связано с явлением, называемым квантовым эффектом Зенона*. Это приводит к вопросу: что может случиться, когда демон Максвелла войдет в квантовый режим Зенона?
Будут ли непрерывные измерения демона заставлять квантовую систему застывать и предотвращать извлечение работы, или демон все еще сможет влиять на динамику системы?
В статье, опубликованной в «New Journal of Physics», физики Георг Энгельгардт и Гернот Шаллер в Берлинском техническом университете теоретически реализовали демона Максвелла в одноэлектронном транзисторе, чтобы исследовать действия демона в квантовом режиме Зенона.
В их модели одноэлектронный транзистор состоит из двух электронных резервуаров, соединенных квантовой точкой, причем демон осуществляет непрерывные измерения в системе. Исследователи продемонстрировали, что, как предсказано квантовым эффектом Зенона, непрерывные измерения демона блокируют поток тока между двумя резервуарами. В результате демон не может извлечь работу.
Однако исследователи также исследовали, что происходит, когда измерения демона не совсем непрерывны. Они обнаружили, что существует оптимальная скорость измерения, при которой измерения не заставляют систему замораживаться, но при этом может образоваться химический градиент между двумя резервуарами и работой.
«Ключевое значение наших выводов состоит в том, что необходимо исследовать переходную кратковременную динамику термоэлектрических устройств, чтобы найти оптимальную производительность», — сказал Энгельгардт в Phys.org. «Это может быть важно для улучшения наноразмерных технологических устройств».
Физики объясняют, что этот промежуточный режим лежит между квантовым режимом, в котором происходят настоящие квантовые эффекты, и классическим режимом.
Что особенно привлекательно в этом режиме, так это то, что из-за измерений демона полная энергия системы уменьшается, поэтому никакая внешняя энергия не должна поступать, чтобы заставить демона работать.
Изображение: Engelhardt and Schaller. New Journal of Physics
«Благодаря примененному методу, мы смогли найти рабочий режим демона, при котором, помимо нарастания химического градиента, он также получает работу за счет измерения», — пояснил Энгельгардт.
В будущем можно извлечь работу из химического градиента и использовать его, например, для зарядки аккумулятора. Исследователи планируют рассмотреть эту возможность в будущем.
«В наших будущих исследованиях мы будем стремиться изучать потенциальные приложения», — сказал Энгельгардт. «Процессы обратной связи важны, например, во многих биологических процессах. Мы надеемся идентифицировать и проанализировать процессы квантового транспортировки с точки зрения обратной связи.
«Кроме того, нас интересует управление обратной связью топологических зонных структур. Поскольку топологические эффекты сильно зависят от когерентной динамики, измерения, по-видимому, являются препятствием для управления обратной связью. Однако при соответствующем слабом измерении, которое лишь частично разрушает когерентное квантовое состояние, обратная связь может быть разумной ».
*Квантовый эффект Зенона — парадокс квантовой механики, заключающийся в том, что время распада метастабильного квантового состояния некоторой системы прямо зависит от частоты событий измерения её состояния. В предельном случае нестабильная частица в условиях частого наблюдения за ней никогда не может распасться. Название восходит к апории Зенона о полёте стрелы.