Över 150 år efter att den berömde skotska forskaren James Clerk Maxwell först introducerade idén, begreppet Maxwells demon fortsätter att förbrylla fysiker och informationsforskare. Demonen han drömde om i ett tankeexperiment, som kan sortera snabba och långsamma partiklar i separata sidor av en behållare, verkade bryta mot termodynamikens andra lag. Genom att ta hänsyn till demonens minne, fysiker kunde bringa demonen i linje med lagarna för statistisk mekanik för klassiska system, men situationen blev omtvistad igen när kvantvärmemotorer föreslogs, som termodynamiska fysiker och informationsteoretiker tvistade om hållbara förklaringar. Nya resultat från fysisk modellering kan sammanföra de olika argumenten.

"Vi ville visa en koppling mellan informationsvetenskap och termodynamiken, " förklarar Stella Seah, en Ph.D. student vid National University of Singapore. Seah arbetade med Stefan Nimmrichter och Valerio Scarani vid Max Planck Institute for the Science of Light och även National University of Singapore. Genom att modellera ett fysiskt system med en "mindre Maxwell-demon" som endast har begränsad tillgång till systemet, de kunde visa var ökningar av entropi kommer ifrån, samt om den entropin leder till vad som kan beskrivas som kvantvärme eller genuint utfört arbete.

Kvanttvister

I kvantsystem, mätningar kan ändra tillståndet för ett system, och det är här implikationerna för termodynamikens andra lag smyger sig in. Om mätningen är oförenlig med kvantsystemet – vad kvantfysiker skulle beskriva som en Hamiltonian som inte pendlar – så introducerar mätningen energi. Huruvida denna energiförändring ska beskrivas som "utfört arbete" eller "kvantvärme" är fortfarande en svår fråga. Vissa skulle hävda att med upprepade mätningar, värmen försvinner, att energin är passiv och inte kan utnyttjas, och det i alla fall, betraktar mätningen som en dissipativ kanal som bara verkar på systemet ignorerar mätapparaten felaktigt.

Medan tvister om ämnet ofta upptar abstrakta områden av informationsteori och termodynamiska abstraktioner, Seah, Nimmrichter och Scarani var angelägna om att utveckla ett mer pragmatiskt förhållningssätt. De betraktar ett system av en qubit i kontakt med en termisk reservoar som kan föra den till ett exciterat tillstånd. Qubiten är kopplad till en pekare som skiftar position makroskopiskt beroende på qubitens interna tillstånd. Seah föreslår att man tänker på pekaren som en fjäder, eller kanske en molekyl som oscillerar i en kvantbrunn, där positionen för minimal energi skiftar position beroende på qubit-tillståndet.

Den minsta av två demoner

Den viktigaste skillnaden mellan detta system och de vanliga scenarierna Maxwell-demoner möter är att demonen bara kan komma åt information om pekaren. Med hjälp av deras modell, Seah, Nimmrichter och Scarani avslöjade att med denna mindre Maxwell-demon kunde systemet möjliggöra mätfeedback som Rabi-snurrvändningar på qubiten som skulle definieras som användbart arbete, såväl som andra ökningar av entropi som skulle kunna beskrivas som kvantuppvärmning.

Modellen verkar göra betydande inbrytningar i ett argument som har förts i decennier, men Seah säger att hon inte var riktigt förvånad över att nå detta resultat. "Det som förvånade mig var när vi upptäckte att om du använder en makroskopisk pekare, du får ett annat beteende från en mikroskopisk pekare." Hon förklarar att att använda en andra qubit för att fungera som en pekare i modellen leder till det välbekanta termodynamiska beteendet hos en Otto-cykel (som beskriver hur några av de första mekaniska motorerna under den industriella revolutionen fungerade Det är bara när pekarens positionsförskjutningar är mycket högre än termiska fluktuationer som mätningen ökar entropin på ett sätt som skulle definieras som utfört arbete. Dessutom, du behöver inte göra tydliga slag som för en klassisk värmemotor. "Du kan göra mätningarna slumpmässigt och allt händer kontinuerligt, fint och smidigt, säger Seah.

Nästa, hon är intresserad av att överväga vad som händer för specifika tillstånd (där det kan finnas intrassling eller antagande) och om det kan finnas någon kvantfördel där.

© 2020 Science X Network