Mindre er mere for Maxwells Demon i kvantevarmemotorer

Over 150 år efter at den berømte skotske videnskabsmand James Clerk Maxwell først introducerede ideen, begrebet Maxwells dæmon fortsætter med at forvirre fysikere og informationsforskere. Dæmonen han drømte om i et tankeeksperiment, som kunne sortere hurtige og langsomme partikler i separate sider af en beholder, syntes at overtræde termodynamikkens anden lov. Ved at tage hensyn til dæmonens hukommelse, fysikere var i stand til at bringe dæmonen i overensstemmelse med lovene for statistisk mekanik for klassiske systemer, men situationen blev endnu en gang omstridt, da kvantevarmemotorer blev foreslået, som termodynamik fysikere og informationsteoretikere kæmpede om levedygtige forklaringer. Nyere resultater fra fysisk modellering kan bringe de forskellige argumenter sammen.

"Vi ønskede at vise en sammenhæng mellem informationsvidenskaben og termodynamikken, " forklarer Stella Seah, en ph.d. studerende ved National University of Singapore. Seah arbejdede sammen med Stefan Nimmrichter og Valerio Scarani ved Max Planck Institute for Science of Light og også National University of Singapore. Ved at modellere et fysisk system med en "mindre Maxwell-dæmon", der kun har begrænset adgang til systemet, de var i stand til at vise, hvor stigninger i entropi kommer fra, samt om den entropi fører til, hvad der kan beskrives som kvantevarme eller ægte udført arbejde.

Kvantestridigheder

I kvantesystemer, målinger kan ændre et systems tilstand, og det er her, implikationerne for termodynamikkens anden lov kommer snigende. Hvis målingen er uforenelig med kvantesystemet – hvad kvantefysikere ville beskrive som en Hamiltonianer, der ikke pendler – så introducerer målingen energi. Hvorvidt denne ændring i energi skal beskrives som "udført arbejde" eller "kvantevarme" er stadig et vanskeligt spørgsmål. Nogle vil hævde, at med gentagne målinger, varmen forsvinder, at energien er passiv og ikke kan udnyttes, og det i hvert fald at betragte målingen som en dissipativ kanal, der kun virker på systemet, ignorerer fejlagtigt måleapparatet.

Mens tvister om emnet ofte optager abstrakte områder af informationsteori og termodynamiske abstraktioner, Seah, Nimmrichter og Scarani var ivrige efter at udvikle en mere pragmatisk tilgang. De betragter et system af en qubit i kontakt med et termisk reservoir, der kan fremme det til en exciteret tilstand. Qubitten er koblet til en pointer, der skifter position makroskopisk afhængigt af den interne tilstand af qubitten. Seah foreslår at tænke på viseren som en fjeder, eller måske et molekyle, der svinger i en kvantebrønd, hvor positionen for minimumsenergi skifter position afhængigt af qubit-tilstanden.

Den mindste af to dæmoner

Den vigtigste forskel mellem dette system og de sædvanlige scenarier, Maxwell-dæmoner støder på, er, at dæmonen kun kan få adgang til information om pointeren. Ved at bruge deres model, Seah, Nimmrichter og Scarani afslørede, at med denne mindre Maxwell-dæmon kunne systemet muliggøre målefeedback, såsom Rabi-spin-flips på qubit, der ville blive defineret som nyttigt arbejde, samt andre stigninger i entropi, der kunne beskrives som kvanteopvarmning.

Modellen ser ud til at gøre betydeligt indhug i et argument, der har været ført i årtier, men Seah siger, at hun ikke var rigtig overrasket over at nå dette resultat. "Det, der overraskede mig, var, da vi fandt ud af, at hvis du bruger en makroskopisk markør, du får en anden adfærd fra en mikroskopisk pointer." Hun forklarer, at brug af en anden qubit til at fungere som en pointer i modellen fører til den velkendte termodynamiske opførsel af en Otto-cyklus (som beskriver, hvordan nogle af de første mekaniske motorer i den industrielle revolution fungerede Det er kun, når markørens positionsskift er meget højere end termiske udsving, at målingen øger entropien på en måde, der ville blive defineret som udført arbejde. du behøver ikke lave tydelige slag som for en klassisk varmemotor. "Du kan foretage målingerne tilfældigt, og alt sker løbende, pænt og glat, " siger Seah.

Næste, hun er interesseret i at overveje, hvad der sker for specifikke tilstande (hvor der kan være forviklinger eller antagelser), og om der kan være nogen kvantefordel der.

© 2020 Science X Network