تؤثر المنافسة والتعاون على الأداء الديناميكي الحراري للآلات الكمومية – عالم الفيزياء

تخيل ساعة بندولية كبيرة محاطة بعدة ساعات صغيرة تبدأ بالدق بإيقاعات مختلفة. إذا سُمح لبندولات الساعة بضبط إيقاعاتها بناءً على إيقاعات جيرانها، فبمرور الوقت يمكنها المزامنة والتحرك في انسجام مع بعضها البعض. تتضمن عملية المزامنة آليتين للتغذية الراجعة: التفاعلات بين الساعات الصغيرة المتطابقة وتفاعل كل ساعة صغيرة مع الساعة الخارجية الكبيرة.

ولكن في العالم الكمي، كان هذا التعايش ــ وتأثير الارتباطات الكمية عليه ــ غير مستكشف إلى حد كبير. كما أن الفوائد الديناميكية الحرارية المحتملة للتزامن في الأنظمة الكمومية لم يتم دراستها كثيرًا.

الباحثون من مركز الفيزياء النظرية للأنظمة المعقدة في معهد العلوم الأساسية، كوريا، و المعهد الهندي للتكنولوجيا بومباي، الهند، شرعت مؤخرًا في معالجة هذه الفجوة. يسلط عملهم الضوء على كيفية التنافس أو التعاون بين آليتي التزامن – التفاعل بين الأنظمة والتفاعلات مع مصدر خارجي مشترك – عند عرض السلوك الديناميكي الحراري في الآلات الكمومية.

تفاعل الآلات الكمومية

في دراستهم التي وصفوها في استعراض للحروف البدنية, توفيق مرتضو, ساي فينجانامباثيو جوزار ثينجنا النظر في مجموعة من الآلات الحرارية الكمومية المتفاعلة بشكل متبادل. الآلات المعنية عبارة عن أنظمة كمومية متعددة المستويات على اتصال بخزان ساخن وبارد. يتكون المستوى الأكثر إثارة في النظام من أجزاء متعددة متطابقة مع اقتران متبادل، مشابه للساعات الصغيرة في الاستعارة. ولتقليد سلوك الساعة الكبيرة - وهي وحدة خارجية مشتركة تسحب تطور النظام - تتفاعل الآلة أيضًا مع مصدر خارجي. اعتمادًا على نظام العمل، يمكن أن يعمل هذا الإعداد كمحرك يضخ الحرارة من الخزان الساخن إلى الخزان البارد، أو كثلاجة تقوم بالعكس.

بدأ الفريق بإظهار أن نظامًا بسيطًا من أربعة مستويات، يتفاعل مع مصدر خارجي، يكفي لدراسة التفاعل بين آليات التزامن وفائدته بالنسبة للمحركات الحرارية الكمومية. ثم قام ثينجنا وزملاؤه بدراسة ما يحدث للأجزاء المتعددة المتطابقة في الآلة بسبب آليتي المزامنة عندما يتصرف الجهاز كمحرك وعندما يتصرف كثلاجة.

والجدير بالذكر أنهم وجدوا أن التفاعل بين الأجزاء الفردية للآلة يمكن أن ينتج تكوينًا متماثلًا - جميع الأجزاء تتطابق مع الإيقاعات - وتكوينًا غير متماثل - جميع الأجزاء لا تتطابق مع الإيقاعات. في المقابل، يقوم المصدر الخارجي دائمًا بسحب الأجزاء المتعددة إلى تكوين متماثل.

بعد هذا الموضوع، وجد الباحثون أنه في نظام المحرك، تفضل الآليتان - التفاعل المتبادل والمحرك الخارجي - التكوينات المتعارضة للحالات. وهذا يؤدي إلى المنافسة بين الآليتين. ومع ذلك، في نظام الثلاجة، تفضل كلتا الآليتين التكوين المتماثل، وبالتالي تتعاونان.

ثم ذهب الفريق إلى أبعد من ذلك وأظهر أنه في الحد الديناميكي الحراري، عندما يكون عدد الأجزاء الفردية المتعددة كبيرًا جدًا، لا يزال التنافس والتعاون بين الآليات يحدث. ومع ذلك، مع توسيع نطاق النظام، يصبح الاقتران المتبادل هو الآلية السائدة. وهذا يترك نظام التعاون دون أن يتأثر، ولكن المنافسة، رغم أنها لا تزال موجودة، تصبح أقل أهمية في نظام المحرك.

مكاسب الديناميكا الحرارية

إلى جانب الكشف عن التفاعل بين الآليات، سلط المؤلفون الضوء أيضًا على كيفية تأثير التزامن على الأداء الديناميكي الحراري للآلات الكمومية. في ورقة تكميلية نشرت في مراجعة البدنية أيوضح المؤلفون كيف يمكن للتزامن أن يحد من كمية الحرارة المهدرة المتولدة. بالنسبة لآلة العمل أو المحرك أو الثلاجة، فإن هذا يعني ما هو أبعد من المعروف الحد العلوي لكارنو، رواية الحد الأدنى للكفاءة.

يقول الفيزيائيون إن ميكانيكا الكم والديناميكا الحرارية يمكن أن تكونا صحيحتين

وفقًا لثينجنا وفينجانامباثي، سيكون لهذه النتائج آثار مباشرة على بناء تقنيات الكم حيث تكون القيادة الخارجية والتفاعلات المتبادلة مهمة. ويضيفون أن فهم الروابط بين الديناميكا الحرارية والأنواع المختلفة من آليات التزامن في الأنظمة الكمومية سيكون أمرًا حيويًا لبناء وتصميم آلات موفرة للطاقة تعمل وفقًا لمبادئ الديناميكا الحرارية. وخلصوا إلى أن هذا العمل يضيف قطعة أخرى إلى لغز الجوانب المختلفة لـ "الكم" في الديناميكا الحرارية الكمومية.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/competition-and-cooperation-affect-the-thermodynamic-performance-of-quantum-machines/