Main menu

Pages

تعمل نظرية الكم الجديدة على تسخين الأبحاث الديناميكية الحرارية

 طور الباحثون نسخة كمومية جديدة لتجربة فكرية ديناميكية حرارية عمرها 150 عامًا يمكن أن تمهد الطريق لتطوير محركات حرارية كمومية.



طبّق علماء الرياضيات من جامعة نوتنغهام نظرية الكم الجديدة على مفارقة جيبس ​​وأظهروا اختلافًا جوهريًا في أدوار المعلومات والتحكم بين الديناميكا الحرارية الكلاسيكية والكمية. نُشر بحثهم اليوم في مجلة Nature Communications.


أدت مفارقة جيبس ​​الكلاسيكية إلى رؤى حاسمة لتطوير الديناميكا الحرارية المبكرة وتؤكد على الحاجة إلى النظر في درجة تحكم المجرب في النظام.


طور فريق البحث نظرية تعتمد على خلط اثنين من الغازات الكمومية - على سبيل المثال ، أحدهما أحمر والآخر أزرق ، متطابقين - والتي تبدأ منفصلة ثم تختلط في صندوق. بشكل عام ، أصبح النظام أكثر اتساقًا ، والذي يتم قياسه من خلال زيادة الانتروبيا. إذا وضع المراقب بعد ذلك نظارات أرجوانية اللون وكرر العملية ؛ تبدو الغازات متشابهة ، لذا يبدو كما لو لم يتغير شيء. في هذه الحالة ، يكون التغيير في الإنتروبيا صفرًا.


يوضح المؤلفان الرئيسيان في الورقة ، بنيامين يادين وبنجامين موريس: "تبدو النتائج التي توصلنا إليها غريبة لأننا نتوقع أن يكون للكميات الفيزيائية مثل الإنتروبيا معنى مستقل عن من يحسبها. ومن أجل حل هذه المفارقة ، يجب أن ندرك أن الديناميكا الحرارية تخبرنا لنا ما هي الأشياء المفيدة التي يمكن أن يقوم بها المجرب الذي لديه أجهزة ذات قدرات محددة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام غاز تمدد ساخن لقيادة محرك. من أجل استخراج العمل (الطاقة المفيدة) من عملية الخلط ، فأنت بحاجة إلى جهاز يمكنه "رؤية" الفرق بين الغازات الحمراء والزرقاء ".


تقليديًا ، لا يستطيع المجرب "الجاهل" ، الذي يرى الغازات على أنها لا يمكن تمييزها ، استخلاص العمل من عملية الخلط. يُظهر البحث أنه في الحالة الكمومية ، على الرغم من عدم قدرته على التمييز بين الغازات ، لا يزال بإمكان المجرب الجاهل استخراج العمل من خلال مزجها.


بالنظر إلى الموقف عندما يصبح النظام كبيرًا ، حيث يختفي السلوك الكمومي بشكل طبيعي ، وجد الباحثون أن المراقب الكمومي الجاهل يمكنه استخراج الكثير من العمل كما لو كان قادرًا على تمييز الغازات. إن التحكم في هذه الغازات بجهاز كمي كبير سيتصرف بشكل مختلف تمامًا عن محرك الحرارة العياني الكلاسيكي. تنتج هذه الظاهرة عن وجود حالات تراكب خاصة تقوم بتشفير معلومات أكثر مما هو متاح بشكل كلاسيكي.


قال البروفيسور جيراردو أديسو: "على الرغم من قرن من البحث ، هناك العديد من الجوانب التي لا نعرفها أو لا نفهمها بعد في قلب ميكانيكا الكم. ومع ذلك ، فإن مثل هذا الجهل الأساسي لا يمنعنا من وضع الميزات الكمومية للاستخدام الجيد ، كما يكشف عملنا. نأمل أن تكون دراستنا النظرية مصدر إلهام لتطورات مثيرة في المجال المزدهر للديناميكا الحرارية الكمومية وتحفيز مزيد من التقدم في السباق المستمر للتقنيات المحسنة الكم.


"المحركات الحرارية الكمومية هي إصدارات مجهرية من سخاناتنا وثلاجاتنا اليومية ، والتي يمكن أن تتحقق باستخدام ذرة واحدة أو بضع ذرات (كما تم التحقق منه تجريبيًا بالفعل) والتي يمكن تعزيز أدائها من خلال التأثيرات الكمية الحقيقية مثل التراكب والتشابك. حاليًا ، إلى رؤية مفارقة جيبس ​​الكمومية التي تم لعبها في المختبر تتطلب تحكمًا رائعًا في معلمات النظام ، وهو أمر قد يكون ممكنًا في أنظمة "الشبكة البصرية" المضبوطة بدقة أو مكثفات بوز آينشتاين - نحن نعمل حاليًا على تصميم مثل هذه المقترحات بالتعاون مع مجموعات تجريبية ".

reactions

تعليقات