Квантовый световой двигатель связывает термодинамику атомов и фотонов с классической физикой
Что такое тепло и что такое полезная работа, если машина состоит только из атома и частиц света? В современных квантовых технологиях подобные вопросы связывают термодинамику с квантовой физикой. Учёные из Базельского университета в Швейцарии разработали теоретический подход, который позволяет примирить обе теории. Задача, стоящая перед физиками, заключается в поиске подхода к описанию таких систем, который работал бы как для полностью квантово-механической системы, так и в полуклассическом пределе. Последний представляет собой предельный случай, когда одна часть системы рассматривается квантово-механически, а для другой части достаточно классической физики. Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.
Фото. Атом в полости между двумя зеркалами (слева) действует как тепловой двигатель в квантовой системе с управляемым рассеянием, в которой энергия непрерывно добавляется и теряется в окружающую среду. Флуктуации в выходящем свете (в центре) уменьшаются (справа), если квантово-механически описывается только атом, а не свет. Автор фото: Энрике Саагун, Scixel / Университет Базеля, кафедра физики.
Физики показали, что частицы света, покидающие полость, в термодинамическом плане, как правило, не следует рассматривать как "отработанное тепло". Напротив, часть их энергии может быть использована для совершения полезной работы над другой квантовой системой. В статье было изучено, как это различие между теплом и полезной энергией влияет на полуклассический предел.
Напомним, что в полуклассическом пределе атом в полости по-прежнему рассматривается как квантовая система с дискретными энергетическими уровнями, в то время как свет теперь считается классической электромагнитной волной, так что квантовыми эффектами можно пренебречь. Классический подход к свету значительно упрощает определение того, какая часть энергии может быть использована для совершения работы, а какая — для неупорядоченного тепла. Важный момент: этот предельный случай должен быть последовательно выведен из квантово-термодинамического подхода. Именно это учёные смогли математически доказать.
Их подход, в котором часть испускаемого света считается работой, можно без проблем довести до полуклассического предела. В отличие от этого, он не работает с традиционным методом, который рассматривает всю энергию, выходящую из полости, как тепло. Более того, расчеты исследователей правильно предсказывают, как квантовые эффекты приводят к уменьшению флуктуаций световых частиц.
Эти уменьшенные флуктуации представляют особый интерес для применения в квантовых технологиях. Они позволяют использовать тепло, которое обычно приводит к возмущениям в квантовых системах, в качестве ресурса для конкретных целей. Например, можно создавать определенные состояния света, которые можно использовать для особо точных измерений в квантовой метрологии.
