Konkurrence og samarbejde påvirker kvantemaskinernes termodynamiske ydeevne – Physics World

Konkurrence og samarbejde påvirker kvantemaskinernes termodynamiske ydeevne – Physics World

Tidsstempel: 9. oktober 2023 kl. 4

Diagram over to cirkler, begge mærket fra 0 til 3pi/2. Omkredsen af ​​den venstre cirkel indeholder prikker med forskellige røde intensiteter, der repræsenterer små ure, og "viserne" på et stort ur i midten, der peger i flere retninger. Omkredsen af ​​den højre cirkel indeholder kun én blå prik, og "viserne" på det midterste ur peger mod den, hvilket repræsenterer samarbejde
Synkroniseringsscenarier: I det første synkroniseringsscenarie (til venstre) er der konkurrence mellem effekten af ​​små ure på hinanden og effekten af ​​det massive vægur. I det andet scenarie (til højre) samarbejder de forskellige små ure og det massive ur. (Med høflighed: Juzar Thingna og Sai Vinjanampathy)

Forestil dig et stort pendulur omgivet af flere små, der begynder at tikke i forskellige rytmer. Hvis urpendlerne får lov til at justere deres rytmer baseret på deres naboers, kan de over tid synkronisere og bevæge sig i harmoni med hinanden. Denne synkroniseringsproces involverer to feedbackmekanismer: interaktioner mellem de identiske små ure og interaktion mellem hvert lille ur og det store, eksterne.

I kvanteverdenen har denne sameksistens – og kvantekorrelationers indvirkning på den – dog stort set været uudforsket. De mulige termodynamiske fordele ved synkronisering i kvantesystemer er heller ikke blevet undersøgt meget.

Forskere fra Center for Teoretisk Fysik af komplekse systemer ved Institute for Basic Science, Korea og Indisk Institut for Teknologi Bombay, Indien, for nylig satte sig for at løse dette hul. Deres arbejde kaster lys over, hvordan de to synkroniseringsmekanismer – interaktion mellem systemer og interaktioner med en fælles ekstern kilde – konkurrerer eller samarbejder, når de udviser termodynamisk adfærd i kvantemaskiner.

Interagerende kvantemaskiner

I deres undersøgelse, som de beskriver i Physical Review Letters, Taufiq Murtadho, Sai Vinjanampathyog Juzar Thingna overveje et sæt af gensidigt interagerende kvantetermiske maskiner. De pågældende maskiner er kvantesystemer med flere niveauer i kontakt med et varmt og koldt reservoir. Det mest begejstrede niveau af systemet består af flere identiske dele med gensidig kobling, analogt med de små ure i metaforen. For at efterligne opførselen af ​​det store ur – en fælles ekstern enhed, der trækker systemudviklingen – interagerer maskinen også med en ekstern kilde. Afhængigt af arbejdsregimet kan denne opsætning opføre sig som en motor, der pumper varme fra det varme til det kolde reservoir, eller som et køleskab, der gør det modsatte.

Diagram over en multi-level maskine
Fire-niveau system: Multi-level maskine, der interagerer med varme (røde) og kolde (blå) reservoirer og med en ekstern kilde (grøn). Afhængigt af arbejdsregimet kan maskinen gennemgå emission (motor) eller absorption (køleskab). Et minimalt setup med N=2 er nok til at vise samarbejde og konkurrence. (Med høflighed: Juzar Thingna)

Holdet begyndte med at vise, at et simpelt system med fire niveauer, der interagerer med en ekstern kilde, er tilstrækkeligt til at undersøge samspillet mellem synkroniseringsmekanismerne og dets anvendelighed til kvantevarmemotorer. Thingna og kolleger undersøgte derefter, hvad der sker med de mange identiske dele i maskinen på grund af de to synkroniseringsmekanismer, når opsætningen opfører sig som en motor, og når den opfører sig som et køleskab.

De fandt især ud af, at interaktionen mellem de enkelte dele af maskinen kan producere en symmetrisk konfiguration – alle dele matcher rytmer – og en antisymmetrisk – alle dele matcher ikke rytmer. I modsætning hertil trækker den eksterne kilde altid de flere dele til en symmetrisk konfiguration.

Efter denne tråd fandt forskerne, at i motorregimet favoriserer de to mekanismer - gensidig interaktion og eksternt drev - modsatrettede konfigurationer af stater. Dette fører til konkurrence mellem de to mekanismer. I køleskabsregimet foretrækker begge mekanismer imidlertid den symmetriske konfiguration og samarbejder derfor.

Holdet gik derefter et skridt videre og viste, at i den termodynamiske grænse, når antallet af flere individuelle dele er meget stort, forekommer konkurrence og samarbejde mellem mekanismerne stadig. Men efterhånden som systemet skaleres op, bliver gensidig kobling den dominerende mekanisme. Dette efterlader samarbejdsordningen upåvirket, men konkurrencen bliver, selvom den stadig er til stede, mindre relevant i motorregimet.

Termodynamisk forstærkning

Udover at afdække samspillet mellem mekanismerne, kaster forfatterne også lys over, hvordan synkronisering påvirker kvantemaskiners termodynamiske ydeevne. I et supplerende papir udgivet i Fysisk gennemgang A, illustrerer forfatterne, hvordan synkronisering kan begrænse mængden af ​​generet spildvarme. For en fungerende maskine, motor eller køleskab indebærer dette, ud over det velkendte Carnot øvre grænse, en ny nedre grænse for effektivitet.

Ifølge Thingna og Vinjanampathy vil disse resultater have direkte implikationer for opbygning af kvanteteknologier, hvor ekstern kørsel og gensidige interaktioner er vigtige. De tilføjer, at forståelsen af ​​forbindelserne mellem termodynamik og forskellige typer synkroniseringsmekanismer i kvantesystemer vil være afgørende for at bygge og designe energieffektive maskiner, der fungerer efter termodynamiske principper. Dette arbejde, konkluderer de, tilføjer endnu en brik til puslespillet om de forskellige facetter af "kvante" i kvantetermodynamik.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden