Новая квантовая теория подогревает термодинамические исследования

Исследователи разработали новую квантовую версию 150-летнего термодинамического мысленного эксперимента, который мог бы проложить путь к разработке квантовых тепловых двигателей.

Математики из Ноттингемского университета применили новую квантовую теорию к парадоксу Гиббса и продемонстрировали фундаментальное различие в роли информации и управления между классической и квантовой термодинамикой. Их исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.

Классический парадокс Гиббса привел к решающим открытиям для развития ранней термодинамики и подчеркивает необходимость рассмотрения степени контроля экспериментатора над системой.

Исследовательская группа разработала теорию, основанную на смешивании двух квантовых газов — например, красного и синего, в остальном идентичных, которые сначала разделяются, а затем смешиваются в коробке.

В целом система стала более однородной, что количественно выражается увеличением энтропии. Если затем наблюдатель наденет фиолетовые очки и повторит процесс; газы выглядят одинаково, поэтому кажется, что ничего не меняется. В этом случае изменение энтропии равно нулю.

Ведущие авторы статьи, Бенджамин Ядин и Бенджамин Моррис, объясняют: «Наши выводы кажутся странными, потому что мы ожидаем, что физические величины, такие как энтропия, имеют значение независимо от того, кто их вычисляет.

-Чтобы разрешить этот парадокс, мы должны понять, что термодинамика говорит нам, какие полезные вещи могут быть сделаны экспериментатором, у которого есть приборы с определенными возможностями. Например, нагретый расширяющийся газ может быть использован для привода двигателя. Для того чтобы извлечь работу (полезную энергию) из процесса смешивания, нужно устройство, которое может «видеть» разницу между красным и синим газами.»

Классический «невежественный» экспериментатор, который видит газы как неразличимые, не может извлечь работу из процесса смешивания. Исследование показывает, что в квантовом случае, несмотря на то, что невежественный экспериментатор не может определить разницу между газами, он все же может извлечь работу путем их смешивания.

Рассматривая ситуацию, когда система становится большой, где квантовое поведение обычно исчезает, исследователи обнаружили, что квантовый невежественный наблюдатель может извлечь столько же работы, как если бы он был в состоянии различить газы. Управление этими газами с помощью большого квантового устройства вело бы себя совершенно иначе, чем классический макроскопический тепловой двигатель. Это явление является результатом существования специальных суперпозиционных состояний, которые кодируют больше информации, чем доступно классически.

«Несмотря на столетие исследований, есть так много аспектов, которые мы еще не знаем или не понимаем в основе квантовой механики. Однако такое фундаментальное невежество не мешает нам хорошо использовать квантовые свойства, как показывает наша работа. Мы надеемся, что наше теоретическое исследование может вдохновить на захватывающие разработки в растущей области квантовой термодинамики и катализировать дальнейший прогресс в продолжающейся гонке за квантово-улучшенными технологиями» — говорят ученые.

«Квантовые тепловые двигатели — это микроскопические версии наших повседневных нагревателей и холодильников, которые могут быть реализованы только с одним или несколькими атомами (что уже экспериментально подтверждено) и производительность которых может быть повышена с помощью подлинных квантовых эффектов, таких как суперпозиция и запутывание.

-В настоящее время, чтобы увидеть, как наш квантовый парадокс Гиббса разыгрывается в лаборатории, потребуется тонкий контроль над параметрами системы, что может быть возможно в тонко настроенных системах «оптической решетки» или конденсатах Бозе-Эйнштейна — в настоящее время мы работаем над разработкой таких предложений в сотрудничестве с экспериментальными группами.»