Konkurenca in sodelovanje vplivata na termodinamično delovanje kvantnih strojev – Svet fizike

Predstavljajte si veliko uro z nihalom, obdano z več majhnimi, ki začnejo tiktakati v različnih ritmih. Če urinim nihalom dovolimo, da prilagodijo svoje ritme glede na ritme svojih sosedov, se lahko sčasoma sinhronizirajo in premikajo v sozvočju drug z drugim. Ta proces sinhronizacije vključuje dva povratna mehanizma: interakcijo med enakimi majhnimi urami in interakcijo vsake majhne ure z veliko, zunanjo.

V kvantnem svetu pa sta ta soobstoj – in vpliv kvantnih korelacij nanj – večinoma neraziskana. Možne termodinamične koristi sinhronizacije v kvantnih sistemih prav tako niso bile veliko raziskane.

Raziskovalci iz Center za teoretično fiziko kompleksnih sistemov na Inštitutu za osnovno znanost v Koreji in na Indijski inštitut za tehnologijo Bombaj, Indija, se je pred kratkim odločila odpraviti to vrzel. Njihovo delo osvetljuje, kako dva sinhronizacijska mehanizma – interakcija med sistemi in interakcija s skupnim zunanjim virom – tekmujeta ali sodelujeta pri izkazovanju termodinamičnega obnašanja v kvantnih strojih.

Medsebojno delujoči kvantni stroji

V svoji študiji, ki jo opisujejo v Pisni pregledi fizike, Taufiq Murtadho, Sai Vinjanampathyin Juzar Thingna razmislite o nizu medsebojno delujočih kvantnih toplotnih strojev. Zadevni stroji so večnivojski kvantni sistemi v stiku z vročim in hladnim rezervoarjem. Najbolj razburjena raven sistema je sestavljena iz več enakih delov z medsebojnim sklopom, analogno majhnim uram v metafori. Da posnema vedenje velike ure – običajne zunanje enote, ki vleče razvoj sistema – stroj sodeluje tudi z zunanjim virom. Odvisno od delovnega režima se lahko ta nastavitev obnaša kot motor, ki črpa toploto iz vročega v hladen rezervoar, ali kot hladilnik, ki deluje nasprotno.

Ekipa je začela s prikazom, da preprost štirinivojski sistem, ki deluje z zunanjim virom, zadostuje za raziskovanje medsebojnega delovanja sinhronizacijskih mehanizmov in njegove uporabnosti za kvantne toplotne motorje. Thingna in sodelavci so nato preučevali, kaj se zgodi z več enakimi deli v stroju zaradi dveh sinhronizacijskih mehanizmov, ko se nastavitev obnaša kot motor in ko se obnaša kot hladilnik.

Predvsem so ugotovili, da lahko interakcija med posameznimi deli stroja povzroči simetrično konfiguracijo - vsi deli se ujemajo z ritmi - in antisimetrično - vsi deli se ne ujemajo z ritmi. Nasprotno pa zunanji vir vedno povleče več delov v simetrično konfiguracijo.

Po tej niti so raziskovalci ugotovili, da v režimu motorja dva mehanizma – medsebojna interakcija in zunanji pogon – dajeta prednost nasprotujočim si konfiguracijam stanj. To vodi v konkurenco med obema mehanizmoma. V režimu hladilnika pa imata oba mehanizma raje simetrično konfiguracijo in zato sodelujeta.

Ekipa je nato šla še korak dlje in pokazala, da v termodinamični meji, ko je število več posameznih delov zelo veliko, še vedno prihaja do tekmovanja in sodelovanja med mehanizmi. Ko pa se sistem poveča, medsebojno spajanje postane prevladujoč mehanizem. To pušča režim sodelovanja nespremenjen, vendar konkurenca, čeprav je še vedno prisotna, postane manj pomembna v režimu motorja.

Termodinamični dobiček

Poleg odkrivanja medsebojnega delovanja med mehanizmi so avtorji osvetlili tudi, kako sinhronizacija vpliva na termodinamično delovanje kvantnih strojev. V dopolnilnem prispevku, objavljenem v Fizični pregled A, avtorji ponazarjajo, kako lahko sinhronizacija omeji količino ustvarjene potratne toplote. Za delovni stroj, motor ali hladilnik to pomeni, da presega dobro znano Carnotova zgornja meja, nova spodnja meja učinkovitosti.

Kvantna mehanika in termodinamika sta lahko resnični, pravijo fiziki

Po mnenju Thingne in Vinjanampathyja bodo ti rezultati imeli neposredne posledice za gradnjo kvantnih tehnologij, kjer so pomembni zunanji pogoni in medsebojne interakcije. Dodajajo, da bo razumevanje povezav med termodinamiko in različnimi vrstami sinhronizacijskih mehanizmov v kvantnih sistemih ključnega pomena za gradnjo in načrtovanje energetsko učinkovitih strojev, ki delujejo na termodinamičnih principih. To delo, zaključujejo, dodaja še en kos v uganko različnih vidikov "kvanta" v kvantni termodinamiki.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/competition-and-cooperation-affect-the-thermodynamic-performance-of-quantum-machines/