رقابت و همکاری بر عملکرد ترمودینامیکی ماشین‌های کوانتومی تأثیر می‌گذارد - دنیای فیزیک

رقابت و همکاری بر عملکرد ترمودینامیکی ماشین‌های کوانتومی تأثیر می‌گذارد - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 9 اکتبر 2023، 4:48 صبح

نمودار دو دایره که هر دو از 0 تا 3pi/2 برچسب گذاری شده اند. محیط دایره سمت چپ حاوی نقاطی با شدت های مختلف قرمز است که نشان دهنده ساعت های کوچک است و " عقربه های" یک ساعت بزرگ در مرکز که به چندین جهت اشاره می کنند. محیط دایره سمت راست فقط حاوی یک نقطه آبی است و " عقربه های" ساعت مرکزی به سمت آن است که نشان دهنده همکاری است.
سناریوهای همگام سازی: در اولین سناریوی همگام سازی (سمت چپ)، رقابت بین تأثیر ساعت های کوچک بر روی یکدیگر و تأثیر ساعت دیواری عظیم وجود دارد. در سناریوی دوم (راست) ساعت های مختلف کوچک و ساعت عظیم با هم همکاری می کنند. (با احترام: Juzar Thingna و Sai Vinjanampathy)

یک ساعت آونگی بزرگ را تصور کنید که توسط چندین ساعت کوچک احاطه شده است که با ریتم های مختلف شروع به تیک تاک می کنند. اگر به آونگ‌های ساعت اجازه داده شود تا ریتم‌های خود را بر اساس ریتم‌های همسایه‌های خود تنظیم کنند، به مرور زمان می‌توانند هماهنگ شوند و هماهنگ با یکدیگر حرکت کنند. این فرآیند همگام سازی شامل دو مکانیسم بازخورد است: تعامل بین ساعت های کوچک یکسان و تعامل هر ساعت کوچک با ساعت بزرگ و خارجی.

با این حال، در جهان کوانتومی، این همزیستی – و تأثیر همبستگی‌های کوانتومی بر آن – تا حد زیادی ناشناخته مانده است. مزایای احتمالی ترمودینامیکی همگام سازی در سیستم های کوانتومی نیز چندان مورد بررسی قرار نگرفته است.

محققان از مرکز فیزیک نظری سیستم های پیچیده در موسسه علوم پایه، کره، و هند موسسه فناوری بمبئیهند، اخیراً تصمیم گرفت تا این شکاف را برطرف کند. کار آنها روشن می کند که چگونه دو مکانیسم هماهنگ سازی - تعامل بین سیستم ها و تعامل با یک منبع خارجی مشترک - در هنگام نشان دادن رفتار ترمودینامیکی در ماشین های کوانتومی با یکدیگر رقابت یا همکاری می کنند.

ماشین های کوانتومی در حال تعامل

در مطالعه خود که در آن شرح می دهند Physical Review Letters به, توفیق مرتضی, سای وینجانامپاتیو جوزار ثینگنا مجموعه ای از ماشین های حرارتی کوانتومی با تعامل متقابل را در نظر بگیرید. ماشین های مورد بحث سیستم های کوانتومی چند سطحی هستند که با یک مخزن سرد و گرم در تماس هستند. هیجان‌انگیزترین سطح سیستم از چندین بخش یکسان با جفت شدن متقابل تشکیل شده است که مشابه ساعت‌های کوچک در استعاره است. برای تقلید از رفتار ساعت بزرگ - یک واحد خارجی مشترک که تکامل سیستم را می کشد - ماشین همچنین در حال تعامل با یک منبع خارجی است. بسته به رژیم کاری، این تنظیم می تواند به عنوان موتوری عمل کند که گرما را از مخزن گرم به مخزن سرد پمپ می کند، یا به عنوان یخچالی که برعکس عمل می کند.

نمودار یک ماشین چند سطحی
سیستم چهار سطحی: ماشین چند سطحی در تعامل با مخازن داغ (قرمز) و سرد (آبی) و با منبع خارجی (سبز). بسته به رژیم کاری، دستگاه می تواند تحت انتشار (موتور) یا جذب (یخچال) قرار گیرد. تنظیم حداقل با N=2 برای نشان دادن همکاری و رقابت کافی است. (با احترام: جوزار تینگنا)

این تیم با نشان دادن اینکه یک سیستم چهار سطحی ساده، در تعامل با یک منبع خارجی، برای بررسی تعامل مکانیسم‌های همگام‌سازی و کاربرد آن برای موتورهای حرارتی کوانتومی کافی است، شروع کرد. Thingna و همکارانش سپس بررسی کردند که چه اتفاقی برای چندین قسمت یکسان در ماشین می افتد که به دلیل دو مکانیسم همگام سازی زمانی که تنظیم به عنوان یک موتور و زمانی که به عنوان یک یخچال رفتار می کند.

قابل توجه است که آنها دریافتند که تعامل بین تک تک قطعات ماشین می تواند یک پیکربندی متقارن ایجاد کند - همه قطعات با ریتم مطابقت دارند - و یک ضد متقارن - همه قطعات با ریتم مطابقت ندارند. در مقابل، منبع خارجی همیشه چندین بخش را به یک پیکربندی متقارن می کشد.

به دنبال این موضوع، محققان دریافتند که در رژیم موتور، دو مکانیسم - تعامل متقابل و درایو خارجی - به نفع پیکربندی‌های مخالف حالت‌ها هستند. این منجر به رقابت بین این دو مکانیسم می شود. با این حال، در رژیم یخچال، هر دو مکانیسم پیکربندی متقارن را ترجیح می دهند و بنابراین همکاری می کنند.

سپس تیم یک گام فراتر رفت و نشان داد که در حد ترمودینامیکی، زمانی که تعداد چندین بخش جداگانه بسیار زیاد است، رقابت و همکاری بین مکانیسم‌ها همچنان وجود دارد. با این حال، با افزایش مقیاس سیستم، جفت متقابل مکانیزم غالب می شود. این امر رژیم همکاری را بی‌تأثیر می‌گذارد، اما رقابت، در حالی که هنوز وجود دارد، در رژیم موتور کمتر مرتبط می‌شود.

بهره ترمودینامیکی

نویسندگان علاوه بر کشف تأثیر متقابل بین مکانیسم‌ها، چگونگی تأثیر همگام‌سازی بر عملکرد ترمودینامیکی ماشین‌های کوانتومی را نیز روشن کردند. در مقاله تکمیلی منتشر شده در بررسی فیزیکی A، نویسندگان نشان می دهند که چگونه همگام سازی می تواند مقدار گرمای بیهوده تولید شده را محدود کند. برای یک ماشین کار، موتور یا یخچال، این امر فراتر از موارد شناخته شده است کران بالای کارنو، یک کران پایینی جدید برای کارایی.

به گفته Thingna و Vinjanampathy، این نتایج پیامدهای مستقیمی برای ساخت فن‌آوری‌های کوانتومی که در آن محرک‌های خارجی و تعاملات متقابل مهم هستند، خواهد داشت. آنها اضافه می کنند که درک ارتباط بین ترمودینامیک و انواع مختلف مکانیسم های همگام سازی در سیستم های کوانتومی برای ساخت و طراحی ماشین های کارآمد انرژی که بر اساس اصول ترمودینامیکی کار می کنند، حیاتی خواهد بود. آنها نتیجه می گیرند که این کار یک قطعه دیگر به پازل جنبه های مختلف "کوانتوم" در ترمودینامیک کوانتومی اضافه می کند.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک