Новая квантовая теория стимулирует термодинамические исследования

Исследователи разработали новую квантовую версию термодинамического мысленного эксперимента 150-летней давности, который может открыть путь для разработки квантовых тепловых двигателей.


Математики из Ноттингемского университета применили новую квантовую теорию к парадоксу Гиббса и продемонстрировали фундаментальное различие в ролях информации и управления между классической и квантовой термодинамикой. Их было опубликовано сегодня в .

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

Исследовательская группа разработала теорию, основанную на смешивании двух квантовых газов — например, одного красного и одного синего, в остальном идентичных, — которые сначала разделяются, а затем смешиваются в коробке. В целом система стала более однородной, что количественно оценивается увеличением энтропии. Если наблюдатель затем надевает очки с фиолетовыми тонами и повторяет процесс; газы выглядят одинаково, поэтому кажется, что ничего не изменилось. В этом случае изменение энтропии равно нулю.

Ведущие авторы , Бенджамин Ядин и Бенджамин Моррис, объясняют: «Наши результаты кажутся странными, потому что мы ожидаем, что физические величины, такие как энтропия, будут иметь значение независимо от того, кто их вычисляет. Чтобы разрешить парадокс, мы должны понять, что термодинамика говорит Какие полезные вещи может сделать экспериментатор, у которого есть устройства с определенными возможностями. Например, нагретый расширяющийся газ может использоваться для привода двигателя. Чтобы извлечь работу (полезную энергию) из процесса перемешивания, вам понадобится устройство которые могут «видеть» разницу между красным и синим газами ».

Классически «невежественный» экспериментатор, который считает газы неотличимыми, не может извлечь работу из процесса смешивания. Исследование показывает, что в квантовом случае, несмотря на то, что он не может отличить газы, невежественный экспериментатор все же может извлечь работу, смешивая их.

Рассматривая ситуацию, когда система становится большой, когда квантовое обычно исчезает, исследователи обнаружили, что квантовый невежественный наблюдатель может извлекать столько же работы, как если бы он мог различать газы. Управление этими газами с помощью большого квантового устройства будет вести себя совершенно иначе, чем классическая макроскопическая тепловая . Этот феномен является результатом существования специальных состояний суперпозиции, которые кодируют больше информации, чем доступно классически.

Профессор Херардо Адессо сказал: «Несмотря на столетие исследований, в основе квантовой механики лежит так много аспектов, которые мы не знаем или еще не понимаем. Как показывает наша работа, квантовые функции будут полезны.Мы надеемся, что наше теоретическое исследование может вдохновить на захватывающие разработки в растущей области квантовой термодинамики и ускорить дальнейший прогресс в продолжающейся гонке за квантово-усовершенствованные .

«Квантовые тепловые двигатели — это микроскопические версии наших повседневных обогревателей и холодильников, которые могут быть реализованы с использованием всего одного или нескольких атомов (как уже было экспериментально подтверждено), и чьи характеристики могут быть усилены подлинными квантовыми эффектами, такими как суперпозиция и запутанность. В настоящее время, чтобы Посмотрите, как наш квантовый парадокс Гиббса, разыгрываемый в лаборатории, потребует тонкого контроля над параметрами системы, что может быть возможно в тонко настроенных системах с «оптической решеткой» или конденсатах Бозе-Эйнштейна — в настоящее время мы работаем над разработкой таких предложений в с экспериментальными группами ».

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments