Forskare har utvecklat en ny kvantversion av ett 150 år gammalt termodynamiskt tankeexperiment som kan bana väg för utveckling av kvantvärmemotorer.

Matematiker från University of Nottingham har tillämpat ny kvantteori på Gibbs -paradoxen och visat en grundläggande skillnad i informations- och kontrollrollerna mellan klassisk och kvanttermodynamik. Deras forskning har publicerats idag i Naturkommunikation .

Den klassiska Gibbs -paradoxen ledde till avgörande insikter för utvecklingen av tidig termodynamik och betonar behovet av att överväga en experiments grad av kontroll över ett system.

Forskargruppen utvecklade en teori som bygger på att blanda två kvantgaser - t.ex. en röd och en blå, annars identiska — som börjar separeras och sedan blandas i en låda. Övergripande, systemet har blivit mer enhetligt, som kvantifieras genom en ökning av entropin. Om observatören sedan tar på sig lila tonade glasögon och upprepar processen; gaserna ser likadana ut, så det verkar som om ingenting förändras. I detta fall, entropi -förändringen är noll.

Huvudförfattarna på tidningen, Benjamin Yadin och Benjamin Morris, förklara:"Våra resultat verkar udda eftersom vi förväntar oss att fysiska mängder som entropi har betydelse oberoende av vem som beräknar dem. För att lösa paradoxen, vi måste inse att termodynamik berättar vilka användbara saker som kan göras av en experimenterare som har enheter med specifika funktioner. Till exempel, en uppvärmd expanderande gas kan användas för att driva en motor. För att extrahera arbete (användbar energi) från blandningsprocessen, du behöver en enhet som kan "se" skillnaden mellan röda och blå gaser. "

Klassiskt, en "okunnig" experimenterare, som ser gaserna som omöjliga att skilja, kan inte extrahera arbete från blandningsprocessen. Forskningen visar att i kvantfallet, trots att jag inte kan se skillnaden mellan gaserna, den okunnige experimenteraren kan fortfarande extrahera arbete genom att blanda dem.

Med tanke på situationen när systemet blir stort, där kvantbeteende normalt skulle försvinna, forskarna fann att den kvantokunniga observatören kan extrahera lika mycket arbete som om de hade kunnat skilja gaserna. Att styra dessa gaser med en stor kvantanordning skulle bete sig helt annorlunda än en klassisk makroskopisk värmemotor. Detta fenomen beror på förekomsten av speciella superpositionstillstånd som kodar mer information än vad som är klassiskt tillgängligt.

Professor Gerardo Adesso sa:"Trots ett sekel forskning, det finns så många aspekter som vi inte känner till eller som vi inte förstår ännu i hjärtat av kvantmekaniken. En sådan grundläggande okunskap, dock, hindrar oss inte från att använda kvantfunktioner till god användning, som vårt arbete avslöjar. Vi hoppas att vår teoretiska studie kan inspirera till spännande utveckling inom det växande området för kvanttermodynamik och katalysera ytterligare framsteg i det pågående loppet för kvantförbättrad teknik.

"Kvantvärmemotorer är mikroskopiska versioner av våra dagliga värmare och kylskåp, som kan realiseras med bara en eller några atomer (som redan experimentellt verifierats) och vars prestanda kan förstärkas av äkta kvanteffekter som superposition och intrassling. Nuvarande, för att se vår quantum Gibbs -paradox utspelas i ett laboratorium skulle kräva utsökt kontroll över systemparametrarna, något som kan vara möjligt i finjusterade "optiska gitter" -system eller Bose-Einstein-kondensat-vi arbetar för närvarande med att utforma sådana förslag i samarbete med experimentella grupper. "