Конкуренция и сотрудничество

Представьте себе большие часы-маятник, окруженные несколькими маленькими, которые начинают тикать в разном ритме. Если маятникам часов позволить корректировать свои ритмы в соответствии с ритмами своих соседей, со временем они смогут синхронизироваться и двигаться в унисон друг с другом. Этот процесс синхронизации включает в себя два механизма обратной связи: взаимодействие между одинаковыми маленькими часами и взаимодействие каждых маленьких часов с большими внешними часами.

Однако в квантовом мире это сосуществование – и влияние на него квантовых корреляций – по большей части не исследовано. Возможные термодинамические преимущества синхронизации в квантовых системах также мало исследованы.

Исследователи из Центра теоретической физики сложных систем Института фундаментальных наук (Корея) и Индийского технологического института в Бомбее (Индия) недавно приступили к устранению этого пробела. Их работа проливает свет на то, как два механизма синхронизации – взаимодействие между системами и взаимодействие с общим внешним источником – конкурируют или взаимодействуют при проявлении термодинамического поведения в квантовых машинах.

В своем исследовании, которое они описывают в Physical Review Letters, Тауфик Муртадо, Сай Винджанампати и Джузар Тингна рассматривают набор взаимно взаимодействующих квантовых тепловых машин. Машины, о которых идет речь, представляют собой многоуровневые квантовые системы, контактирующие с горячим и холодным резервуаром. Самый возбужденный уровень системы состоит из множества идентичных частей, связанных друг с другом, аналогично маленьким часам в метафоре. Чтобы имитировать поведение больших часов – обычного внешнего устройства, тянущего эволюцию системы, – машина также взаимодействует с внешним источником. В зависимости от режима работы эта установка может вести себя как двигатель, перекачивающий тепло из горячего резервуара в холодный, или как холодильник, выполняющий противоположные действия.

Команда начала с того, что показала, что простой четырехуровневой системы, взаимодействующей с внешним источником, достаточно для исследования взаимодействия механизмов синхронизации и ее полезности для квантовых тепловых двигателей. Затем Тингна и его коллеги изучили, что происходит с множеством идентичных частей машины из-за двух механизмов синхронизации, когда установка ведет себя как двигатель и когда она ведет себя как холодильник.

Примечательно, что они обнаружили, что взаимодействие между отдельными частями машины может создавать симметричную конфигурацию — все части соответствуют ритмам — и антисимметричную — все части не соответствуют ритмам. Напротив, внешний источник всегда приводит несколько частей в симметричную конфигурацию.

Следуя этой теме, исследователи обнаружили, что в режиме двигателя два механизма – взаимное взаимодействие и внешний стимул – благоприятствуют противоположным конфигурациям состояний. Это приводит к конкуренции между двумя механизмами. Однако в режиме холодильника оба механизма предпочитают симметричную конфигурацию и поэтому взаимодействуют.

Затем команда пошла еще дальше и показала, что в термодинамическом пределе, когда количество нескольких отдельных частей очень велико, конкуренция и сотрудничество между механизмами все еще имеют место. Однако по мере масштабирования системы взаимное взаимодействие становится доминирующим механизмом. Это не затрагивает режим сотрудничества, но конкуренция, хотя и присутствует, становится менее значимой в режиме двигателя.

Помимо раскрытия взаимодействия между механизмами, авторы также проливают свет на то, как синхронизация влияет на термодинамические характеристики квантовых машин. В дополнительной статье, опубликованной в журнале Physical Review A, авторы показывают, как синхронизация может ограничить количество выделяемого ненужного тепла. Для работающей машины, двигателя или холодильника это означает, помимо известной верхней границы Карно, новую нижнюю границу эффективности.

Квантовая механика и термодинамика могут быть правдой, говорят физики

По мнению Тингны и Винджанампати, эти результаты будут иметь прямое значение для создания квантовых технологий, где важны внешнее управление и взаимные взаимодействия. Они добавляют, что понимание связей между термодинамикой и различными типами механизмов синхронизации в квантовых системах будет иметь жизненно важное значение для создания и проектирования энергоэффективных машин, работающих на термодинамических принципах. Эта работа, заключают они, добавляет еще одну часть к загадке различных аспектов «кванта» в квантовой термодинамике.