Onderzoekers hebben een nieuwe kwantumversie ontwikkeld van een 150 jaar oud thermodynamisch gedachte-experiment dat de weg zou kunnen effenen voor de ontwikkeling van kwantumwarmtemotoren.

Wiskundigen van de Universiteit van Nottingham hebben nieuwe kwantumtheorie toegepast op de Gibbs-paradox en hebben een fundamenteel verschil aangetoond in de rol van informatie en controle tussen klassieke en kwantumthermodynamica. Hun onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De klassieke Gibbs-paradox leidde tot cruciale inzichten voor de ontwikkeling van vroege thermodynamica en benadrukt de noodzaak om de mate van controle van een experimentator over een systeem te overwegen.

Het onderzoeksteam ontwikkelde een theorie gebaseerd op het mengen van twee kwantumgassen, bijvoorbeeld een rode en een blauwe, verder identiek - die gescheiden beginnen en vervolgens in een doos worden gemengd. Algemeen, het systeem is uniformer geworden, die wordt gekwantificeerd door een toename van de entropie. Als de waarnemer dan een paars getinte bril opzet en het proces herhaalt; de gassen zien er hetzelfde uit, dus het lijkt alsof er niets verandert. In dit geval, de entropieverandering is nul.

De hoofdauteurs van het papier, Benjamin Yadin en Benjamin Morris, uitleggen:"Onze bevindingen lijken vreemd omdat we verwachten dat fysieke grootheden zoals entropie betekenis hebben, onafhankelijk van wie ze berekent. Om de paradox op te lossen, we moeten ons realiseren dat thermodynamica ons vertelt welke nuttige dingen kunnen worden gedaan door een experimentator die apparaten heeft met specifieke mogelijkheden. Bijvoorbeeld, een verwarmd expanderend gas kan worden gebruikt om een ​​motor aan te drijven. Om arbeid (nuttige energie) uit het mengproces te halen, je hebt een apparaat nodig dat het verschil tussen rode en blauwe gassen kan "zien".

klassiek, een "onwetende" experimentator, die de gassen als niet te onderscheiden ziet, kan geen werk uit het mengproces halen. Het onderzoek toont aan dat in het kwantumgeval, ondanks dat ik het verschil tussen de gassen niet kan zien, de onwetende experimentator kan nog steeds werk extraheren door ze te mengen.

Gezien de situatie waarin het systeem groot wordt, waar kwantumgedrag normaal gesproken zou verdwijnen, de onderzoekers ontdekten dat de kwantumonwetende waarnemer net zoveel werk kan extraheren als wanneer ze de gassen hadden kunnen onderscheiden. Het beheersen van deze gassen met een groot kwantumapparaat zou zich heel anders gedragen dan een klassieke macroscopische warmtemotor. Dit fenomeen is het gevolg van het bestaan ​​van speciale superpositietoestanden die meer informatie coderen dan klassiek beschikbaar is.

Professor Gerardo Adesso zei:"Ondanks een eeuw van onderzoek, er zijn zoveel aspecten die we niet kennen of nog niet begrijpen in het hart van de kwantummechanica. Zo'n fundamentele onwetendheid, echter, belet ons niet om kwantumfuncties goed te gebruiken, zoals ons werk laat zien. We hopen dat onze theoretische studie kan inspireren tot opwindende ontwikkelingen op het ontluikende gebied van kwantumthermodynamica en verdere vooruitgang kan katalyseren in de voortdurende race naar kwantumverbeterde technologieën.

"Kwantumwarmtemotoren zijn microscopisch kleine versies van onze alledaagse kachels en koelkasten, die kan worden gerealiseerd met slechts één of enkele atomen (zoals al experimenteel geverifieerd) en waarvan de prestaties kunnen worden verbeterd door echte kwantumeffecten zoals superpositie en verstrengeling. momenteel, om onze kwantum Gibbs-paradox in een laboratorium te zien spelen, zou uitstekende controle over de systeemparameters vereisen, iets wat mogelijk kan zijn in verfijnde "optische rooster"-systemen of Bose-Einstein-condensaten - we zijn momenteel aan het werk om dergelijke voorstellen te ontwerpen in samenwerking met experimentele groepen."