La competencia y la cooperación afectan el rendimiento termodinámico de las máquinas cuánticas – Physics World

Imagínese un gran reloj de péndulo rodeado de varios pequeños que empiezan a marcar a diferentes ritmos. Si se permite que los péndulos del reloj ajusten sus ritmos en función de los de sus vecinos, con el tiempo podrán sincronizarse y moverse al unísono entre sí. Este proceso de sincronización implica dos mecanismos de retroalimentación: interacciones entre relojes pequeños idénticos e interacción de cada reloj pequeño con el grande externo.

Sin embargo, en el mundo cuántico, esta coexistencia –y el impacto de las correlaciones cuánticas en ella– ha sido en gran medida inexplorada. Tampoco se han investigado mucho los posibles beneficios termodinámicos de la sincronización en sistemas cuánticos.

Investigadores de la Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos en el Instituto de Ciencias Básicas de Corea y el Instituto Indio de Tecnología de Bombay, India, recientemente se propuso abordar esta brecha. Su trabajo arroja luz sobre cómo los dos mecanismos de sincronización (interacción entre sistemas e interacciones con una fuente externa común) compiten o cooperan cuando exhiben un comportamiento termodinámico en máquinas cuánticas.

Máquinas cuánticas interactuando

En su estudio, que describen en Physical Review Letters, Taufiq Murtadho, Vinjanampatía Saiy Juzar Thingna Consideremos un conjunto de máquinas térmicas cuánticas que interactúan entre sí. Las máquinas en cuestión son sistemas cuánticos multinivel en contacto con un depósito frío y caliente. El nivel más excitado del sistema está formado por múltiples partes idénticas con acoplamiento mutuo, de forma análoga a los pequeños relojes de la metáfora. Para imitar el comportamiento del gran reloj (una unidad externa común que arrastra la evolución del sistema), la máquina también interactúa con una fuente externa. Dependiendo del régimen de trabajo, esta configuración puede comportarse como un motor que bombea calor del depósito caliente al frío, o como un frigorífico que hace lo contrario.

El equipo comenzó demostrando que un sistema simple de cuatro niveles, que interactúa con una fuente externa, es suficiente para investigar la interacción de los mecanismos de sincronización y su utilidad para los motores térmicos cuánticos. Luego, Thingna y sus colegas estudiaron qué sucede con las múltiples piezas idénticas de la máquina debido a los dos mecanismos de sincronización cuando la configuración se comporta como un motor y cuando se comporta como un refrigerador.

En particular, descubrieron que la interacción entre las partes individuales de la máquina puede producir una configuración simétrica (todas las partes coinciden con los ritmos) y antisimétrica (no todas las partes coinciden con los ritmos). Por el contrario, la fuente externa siempre arrastra las múltiples partes a una configuración simétrica.

Siguiendo este hilo, los investigadores descubrieron que en el régimen del motor, los dos mecanismos (interacción mutua e impulso externo) favorecen configuraciones de estados opuestas. Esto conduce a la competencia entre los dos mecanismos. Sin embargo, en el régimen frigorífico, ambos mecanismos prefieren la configuración simétrica y, por tanto, cooperan.

Luego, el equipo fue un paso más allá y demostró que en el límite termodinámico, cuando el número de múltiples partes individuales es muy grande, todavía se produce competencia y cooperación entre los mecanismos. Sin embargo, a medida que el sistema crece, el acoplamiento mutuo se convierte en el mecanismo dominante. Esto no afecta al régimen de cooperación, pero la competencia, aunque sigue presente, se vuelve menos relevante en el régimen de motores.

Ganancia termodinámica

Además de descubrir la interacción entre los mecanismos, los autores también arrojan luz sobre cómo la sincronización afecta el rendimiento termodinámico de las máquinas cuánticas. En un artículo complementario publicado en Revisión física A, los autores ilustran cómo la sincronización puede limitar la cantidad de calor desperdiciado generado. Para una máquina, motor o refrigerador en funcionamiento, esto implica, más allá de lo conocido Límite superior de Carnot, un nuevo límite inferior para la eficiencia.

Tanto la mecánica cuántica como la termodinámica pueden ser ciertas, dicen los físicos

Según Thingna y Vinjanampathy, estos resultados tendrán implicaciones directas para la construcción de tecnologías cuánticas donde la conducción externa y las interacciones mutuas son importantes. Añaden que comprender las conexiones entre la termodinámica y los diferentes tipos de mecanismos de sincronización en los sistemas cuánticos será vital para construir y diseñar máquinas energéticamente eficientes que funcionen según principios termodinámicos. Este trabajo, concluyen, añade una pieza más al rompecabezas de las diversas facetas de lo "cuántico" en la termodinámica cuántica.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/competition-and-cooperation-affect-the-thermodynamic-performance-of-quantum-machines/