Физики Базельского университета разработали теоретический подход, который помогает согласовать квантовую физику с классической термодинамикой. Исследователи уточнили, какую энергию в микроскопических квантовых машинах следует считать теплом, а какую — полезной работой.
В качестве модели ученые рассмотрели атом, помещенный в полость между двумя зеркалами. Лазер постоянно направляет в систему фотоны, а часть света выходит наружу через частично прозрачные зеркала. Как пояснил постдок Marcelo Janovitch, такая установка представляет собой систему, которая одновременно получает энергию и отдает ее окружающей среде.
Атом в этой схеме выполняет роль миниатюрного теплового двигателя, который также можно назвать световым двигателем. Ранее группа под руководством профессора Patrick Potts установила, что покидающие полость фотоны не следует автоматически относить к «отработанному теплу». Часть переносимой ими энергии способна совершать полезную работу в другой квантовой системе.
Новая работа была посвящена проверке этого вывода при переходе к полуклассическому описанию. В таком режиме атом сохраняет дискретные квантовые уровни энергии, а свет рассматривается как классическая электромагнитная волна. По словам Janovitch, это упрощает разделение энергии на полезную работу и неупорядоченное тепло.
Как показали расчеты, предложенная учеными схема корректно переходит к полуклассическому пределу, если часть излучения считать рабочей энергией. Традиционный подход, при котором вся энергия, покидающая полость, объявляется теплом, такого соответствия не обеспечивает. Кроме того, модель правильно описывает уменьшение квантовых флуктуаций в выходящем свете.
Снижение флуктуаций может оказаться полезным для квантовых технологий. Исследователи считают, что тепло, обычно создающее помехи в квантовых системах, в некоторых случаях способно стать ресурсом для получения специальных состояний света и более точных измерений.
Фото: Enrique Sahagún, Scixel / University of Basel, Department of Physics
