Meer dan 150 jaar nadat de beroemde Schotse wetenschapper James Clerk Maxwell het idee voor het eerst introduceerde, het concept van de demon van Maxwell blijft natuurkundigen en informatiewetenschappers verbijsteren. De demon die hij bedacht in een gedachte-experiment, die snelle en langzame deeltjes in afzonderlijke zijden van een container kunnen sorteren, leek de tweede wet van de thermodynamica te schenden. Door rekening te houden met het geheugen van de demon, natuurkundigen waren in staat om de demon in overeenstemming te brengen met de wetten van de statistische mechanica voor klassieke systemen, maar de situatie werd opnieuw controversieel toen kwantumwarmtemotoren werden voorgesteld, terwijl thermodynamica-fysici en informatietheoretici kibbelden over haalbare verklaringen. Recente resultaten van fysieke modellering kunnen de verschillende argumenten samenbrengen.

"We wilden een verband laten zien tussen de informatiewetenschap en de thermodynamica, " legt Stella Seah uit, een doctoraat student aan de Nationale Universiteit van Singapore. Seah werkte samen met Stefan Nimmrichter en Valerio Scarani aan het Max Planck Institute for the Science of Light en ook aan de National University of Singapore. Door een fysiek systeem te modelleren met een "mindere Maxwell-demon" die slechts beperkte toegang tot het systeem heeft, ze konden laten zien waar de toename van entropie vandaan komt, en of die entropie leidt tot wat kan worden omschreven als kwantumwarmte of echt werk.

Kwantumgeschillen

In kwantumsystemen, metingen kunnen de toestand van een systeem veranderen, en dit is waar implicaties voor de tweede wet van de thermodynamica binnensluipen. Als de meting onverenigbaar is met het kwantumsysteem - wat kwantumfysici zouden omschrijven als een Hamiltoniaan die niet pendelt - dan introduceert de meting energie. Of deze verandering in energie moet worden omschreven als "werk gedaan" of "kwantumwarmte" blijft een netelige kwestie. Sommigen beweren dat met herhaalde metingen, de warmte verdwijnt, dat de energie passief is en niet kan worden benut, en dat in ieder geval het beschouwen van de meting als een dissipatief kanaal dat alleen op het systeem inwerkt, negeert ten onrechte het meetapparaat.

Terwijl geschillen over het onderwerp vaak abstracte gebieden van informatietheorie en thermodynamische abstracties beslaan, zee, Nimmrichter en Scarani wilden graag een meer pragmatische aanpak ontwikkelen. Ze beschouwen een systeem van een qubit in contact met een thermisch reservoir dat het tot een aangeslagen toestand kan brengen. De qubit is gekoppeld aan een aanwijzer die macroscopisch van positie verschuift, afhankelijk van de interne toestand van de qubit. Seah stelt voor om de aanwijzer te zien als een veer, of misschien een molecuul dat oscilleert in een kwantumput, waarbij de positie voor minimale energie van positie verschuift afhankelijk van de qubit-status.

De minste van twee demonen

Het belangrijkste verschil tussen dit systeem en de gebruikelijke scenario's die Maxwell-demonen tegenkomen, is dat de demon alleen toegang heeft tot informatie over de aanwijzer. Met behulp van hun model, zee, Nimmrichter en Scarani onthulden dat met deze mindere Maxwell-demon het systeem meetfeedback mogelijk zou kunnen maken, zoals Rabi-spin-flips op de qubit die als nuttig werk zouden worden gedefinieerd, evenals andere toenames in entropie die kunnen worden beschreven als kwantumverwarming.

Het model lijkt een significante doorbraak te maken in een argument dat al tientallen jaren wordt gevoerd, maar Seah zegt dat ze niet echt verrast was om dit resultaat te bereiken. "Wat me verbaasde was toen we ontdekten dat als je een macroscopische aanwijzer gebruikt, je krijgt ander gedrag dan een microscopisch kleine aanwijzer." Ze legt uit dat het gebruik van een tweede qubit als aanwijzer in het model leidt tot het bekende thermodynamische gedrag van een Otto-cyclus (die beschrijft hoe sommige van de eerste mechanische motoren van de industriële revolutie werkten Alleen wanneer de positieverschuivingen van de aanwijzer veel groter zijn dan thermische fluctuaties, verhoogt de meting de entropie op een manier die zou worden gedefinieerd als verricht werk. je hoeft geen duidelijke slagen te maken zoals bij een klassieke warmtemotor. "Je kunt de metingen willekeurig doen en alles gebeurt continu, lekker vlot, " zegt Zee.

Volgende, ze is geïnteresseerd in wat er gebeurt voor specifieke toestanden (waar sprake kan zijn van verstrengeling of veronderstelling) en of daar een kwantumvoordeel kan zijn.

© 2020 Wetenschap X Netwerk