Forskere fra Nagoya University i Japan og Slovakiske Academy of Sciences har afsløret ny indsigt i samspillet mellem kvanteteori og termodynamik. Holdet demonstrerede, at selvom kvanteteori ikke i sagens natur forbyder krænkelser af den anden lov om termodynamik, kan kvanteprocesser implementeres uden faktisk at overtræde loven.
Denne opdagelse, der er offentliggjort i NPJ kvanteinformationfremhæver en harmonisk sameksistens mellem de to felter på trods af deres logiske uafhængighed. Deres fund åbner nye veje for at forstå de termodynamiske grænser for kvanteteknologier, såsom kvanteberegning og nanoskala -motorer.
Dette gennembrud bidrager til den langvarige udforskning af den anden lov om termodynamik, et princip, der ofte betragtes som en af de mest dybe og gåtefulde inden for fysik.
Den anden lov hævder, at entropi – et mål for lidelse i et system – aldrig falder spontant. Det hedder også, at en cyklisk driftsmotor ikke kan producere mekanisk arbejde ved at udtrække varme fra et enkelt termisk miljø og understrege begrebet en ensrettet tidsstrøm.
På trods af sin grundlæggende rolle er den anden lov stadig et af de mest diskuterede og misforståede principper inden for videnskab. Centralt i denne debat er paradokset for “Maxwells dæmon”, et tankeeksperiment foreslået af fysikeren James Clerk Maxwell i 1867.
Maxwell forestillede sig et hypotetisk væsen – dæmonen – kan sorteres med hurtige og langsomme molekyler inden for en gas ved termisk ligevægt uden at bruge energi. Ved at adskille disse molekyler i forskellige regioner kunne dæmonen skabe en temperaturforskel. Når systemet vender tilbage til ligevægt, udvindes mekanisk arbejde, hvilket tilsyneladende trosser den anden lov om termodynamik.
Paradokset har fascineret fysikere i over et århundrede og rejser spørgsmål om lovens universalitet, og om det afhænger af observatørens viden og kapaciteter. Løsninger på paradokset har stort set centreret sig om behandling af dæmonen som et fysisk system underlagt termodynamiske love.
En foreslået løsning sletter dæmonens hukommelse, som kræver en udgift af mekanisk arbejde, hvilket effektivt udligner overtrædelsen af den anden lov.
For at udforske dette fænomen yderligere udviklede forskerne en matematisk model til en “dæmonisk motor”, et system drevet af Maxwells dæmon. Deres tilgang er forankret i teorien om kvanteinstrumenter, en ramme, der blev introduceret i 1970’erne og 1980’erne for at beskrive de mest generelle former for kvantemåling.
Modellen involverer tre trin: dæmonen måler et målsystem, udtrækker derefter arbejdet fra det ved at koble det til et termisk miljø og til sidst sletter hukommelsen ved at interagere med det samme miljø.
Ved hjælp af denne ramme afledte teamet præcise ligninger for det arbejde, der er brugt af dæmonen og det arbejde, det udtrækker, udtrykt i form af kvanteinformationsforanstaltninger såsom von Neumann Entropy og Groenewold-Ozawa informationsgevinst. Når de sammenligner disse ligninger, fik de et overraskende resultat.
“Vores resultater viste, at under visse betingelser, der er tilladt ved kvanteteori, selv efter at have redegjort for alle omkostninger, kan arbejdet ekstraheret overstige det arbejde, der er brugt, tilsyneladende krænker den anden lov om termodynamik,” forklarede Shintaro Minagawa, en førende forsker på projektet.
“Denne åbenbaring var lige så spændende som den var uventet og udfordrede antagelsen om, at kvanteteori i sig selv er ‘dæmonfast.’ Der er skjulte hjørner inden for rammerne, hvor Maxwells dæmon stadig kunne arbejde sin magi. “
På trods af disse smuthuller understreger forskerne, at de ikke udgør en trussel mod den anden lov.
“Vores arbejde viser, at det på trods af disse teoretiske sårbarheder er muligt at designe enhver kvanteproces, så det overholder den anden lov,” sagde Hamed Mohammady.
“Med andre ord, kvanteteori kunne potentielt bryde den anden lov om termodynamik, men det behøver faktisk ikke. Dette skaber en bemærkelsesværdig harmoni mellem kvantemekanik og termodynamik: de forbliver uafhængige, men grundlæggende i odds.”
Denne opdagelse antyder også, at den anden lov ikke pålægger strenge begrænsninger for kvantemålinger. Enhver proces, der er tilladt ved kvanteteori, kan implementeres uden at krænke termodynamiske principper. Ved at raffinere vores forståelse af dette samspil sigter forskerne på at låse nye muligheder for kvanteteknologier, samtidig med at de opretholder de tidløse principper for termodynamik.
“En ting, vi viser i dette papir, er, at kvanteteori virkelig er logisk uafhængig af den anden lov om termodynamik. Det vil sige, det kan krænke loven, simpelthen fordi den overhovedet ikke ‘ved’ om det,” forklarede Francesco Buscemi.
“Og alligevel – og dette er lige så bemærkelsesværdigt – kan enhver kvanteproces realiseres uden at overtræde den anden lov om termodynamik. Dette kan gøres ved at tilføje flere systemer, indtil den termodynamiske balance er gendannet.”
Konsekvenserne af denne undersøgelse strækker sig ud over teoretisk fysik. At belyse de termodynamiske grænser for kvantesystemer giver et fundament for innovationer inden for kvanteberegning og nanoskala -motorer.
Når vi udforsker kvantområdet, tjener denne forskning som en påmindelse om den delikate balance mellem de grundlæggende love i naturen og potentialet for banebrydende teknologiske fremskridt.