Ny kvanteteori varmer termodynamisk forskning op

Forskere har udviklet en ny kvanteversion af et 150 år gammelt termodynamisk tankeeksperiment, der kan bane vejen for udviklingen af ​​kvantevarmemotorer.

Matematikere fra University of Nottingham har anvendt ny kvanteteori på Gibbs-paradokset og demonstreret en fundamental forskel i informations- og kontrolrollerne mellem klassisk og kvantetermodynamik. Deres forskning er blevet offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Det klassiske Gibbs-paradoks førte til afgørende indsigt for udviklingen af ​​tidlig termodynamik og understreger behovet for at overveje en eksperimentators grad af kontrol over et system.

Forskerholdet udviklede en teori baseret på blanding af to kvantegasser - f.eks. en rød og en blå, ellers identiske - som starter adskilt og derefter blandes i en kasse. Samlet set, systemet er blevet mere ensartet, som er kvantificeret ved en stigning i entropi. Hvis observatøren så tager lillatonede briller på og gentager processen; gasserne ser ens ud, så det ser ud som om intet ændrer sig. I dette tilfælde, entropiændringen er nul.

Hovedforfatterne på papiret, Benjamin Yadin og Benjamin Morris, forklar:"Vores resultater virker mærkelige, fordi vi forventer, at fysiske størrelser såsom entropi har betydning uafhængigt af, hvem der beregner dem. For at løse paradokset, vi må indse, at termodynamik fortæller os, hvilke nyttige ting der kan gøres af en eksperimentator, der har enheder med specifikke evner. For eksempel, en opvarmet ekspanderende gas kan bruges til at drive en motor. For at udvinde arbejde (nyttig energi) fra blandingsprocessen, du har brug for en enhed, der kan "se" forskellen mellem røde og blå gasser."

klassisk, en "uvidende" eksperimentator, der ser gasserne som ude af skel, kan ikke udtrække arbejde fra blandingsprocessen. Forskningen viser, at i kvantetilfældet, på trods af at man ikke er i stand til at kende forskel på gasserne, den uvidende eksperimentator kan stadig udvinde arbejde ved at blande dem.

I betragtning af situationen, når systemet bliver stort, hvor kvanteadfærd normalt ville forsvinde, forskerne fandt ud af, at den kvanteuvidende observatør kan udvinde lige så meget arbejde, som hvis de havde været i stand til at skelne gasserne. At kontrollere disse gasser med en stor kvanteanordning ville opføre sig helt anderledes end en klassisk makroskopisk varmemotor. Dette fænomen skyldes eksistensen af ​​særlige superpositionstilstande, der koder for mere information, end der er tilgængeligt klassisk.

Professor Gerardo Adesso sagde:"På trods af et århundredes forskning, der er så mange aspekter, vi ikke kender, eller vi ikke forstår endnu, i hjertet af kvantemekanikken. Sådan en grundlæggende uvidenhed, imidlertid, forhindrer os ikke i at bruge kvantefunktioner til god brug, som vores arbejde afslører. Vi håber, at vores teoretiske undersøgelse kan inspirere til spændende udviklinger inden for kvantetermodynamikkens spirende felt og katalysere yderligere fremskridt i det igangværende kapløb om kvanteforbedrede teknologier.

"Kvantevarmemotorer er mikroskopiske versioner af vores daglige varmeapparater og køleskabe, som kan realiseres med blot et eller nogle få atomer (som allerede eksperimentelt verificeret), og hvis ydeevne kan forstærkes af ægte kvanteeffekter såsom superposition og sammenfiltring. I øjeblikket, at se vores kvante Gibbs paradoks udspillet i et laboratorium ville kræve udsøgt kontrol over systemparametrene, noget, der kan være muligt i finjusterede "optiske gitter"-systemer eller Bose-Einstein-kondensater - vi er i øjeblikket i gang med at designe sådanne forslag i samarbejde med eksperimentelle grupper."