اگرچه قدمت علم ترمودینامیک به اواسط سده‌ی نوزدهم میلادی باز می‌گردد، اما امروزه ترکیب آن با فیزیک کوانتومی، قلمروی جذابی به نام ترمودینامیک کوانتومی ایجاد کرده است. به تازگی ریاضیدانان دانشگاه ناتینگهام، نسخه کوانتومی جدیدی از یک آزمایش فکری ترمودینامیکی ۱۵۰ ساله به نام پارادوکس گیبس را توسعه داده‌اند که می‌تواند زمینه را برای توسعه موتورهای گرمایی کوانتومی هموار کند. با دیپ لوک همراه باشید…
پارادوکس کلاسیک گیبس منجر به دیدگاه‌های بسیار مهمی برای توسعه ترمودینامی اولیه شد و بر نیاز در نظر گرفتن درجه کنترل یک آزمایشگر بر یک سیستم تاکید می کند.
پژوهشگران نظریه‌ای را بر اساس مخلوط کردن دو گاز کوانتومی توسعه دادند؛ مثلا یک گاز قرمز و آبی در یک جعبه که در ابتدا جدا بودند و سپس مخلوط شدند. در مجموع، سیستم یکنواخت‌تر شده که با افزایش انتروپی سنجیده می‌شود. اگر ناظر از عینک بنفش رنگی استفاده کند و این فرایند تکرار شود، گازها یکسان به نظر می‌رسند و اینطور به نظر می‌آید که انگار هیچ‌چیز تغییر نکرده است. در این حالت، تغییر انتروپی صفر است. نویسندگان این مقاله، بنجامین یادین (Benjamin Yadin) و بنجامین موریس (Benjamin Morris) توضیح می‌دهند:
یافته‌های ما عجیب به نظر می‌رسد، زیرا انتظار داریم کمیت‌های فیزیکی مانند انتروپی، معنایی مستقل از اینکه چه کسی آن‌ها را محاسبه می‌کند داشته باشند. برای حل پارادوکس، باید متوجه شد که ترمودینامیک به ما می‌گوید که چه کارهای مفیدی می‌تواند توسط یک آزمایشگر که دستگاه‌هایی با قابلیت‌های خاص دارد انجام شود. به عنوان مثال می‌توان از یک گاز گرم در حال گسترش برای راندن یک موتور استفاده کرد. برای استخراج کار(انرژی مفید) از فرایند اختلاط، به دستگاهی نیاز دارید که بتواند تفاوت گازهای قرمز و آبی را ببیند.
بطور کلاسیک، یک آزمایشگر جاهل که گازها را غیرقابل تشخیص می‌بیند، نمی‌تواند کار را از فرایند اختلاط استخراج کند. تحقیقات نشان می‌دهد که آزمایشگر جاهل در حالت کوانتومی، با وجود اینکه قادر به گفتن تفاوت بین گازها نیست، هنوز می‌تواند کار را از طریق مخلوط کردن آن‌ها استخراج کند. با توجه به وضعیت بزرگ شدن سیستم، که در آن رفتار کوانتومی به طور معمول از بین می‌رود، محققان دریافتند که ناظر جاهل کوانتومی می‌تواند به همان اندازه کار استخراج کند که انگار توانسته است گازها را متمایز کنند. کنترل این گازها با یک دستگاه کوانتومی بزرگ، کاملا متفاوت با یک موتور گرمایی ماکروسکوپی کلاسیک رفتار خواهد کرد. این پدیده از وجود حالت‌های برهم نهی خاص حاصل می‌شود که اطلاعات بیشتری را نسبت به آنچه به صورت کلاسیک در دسترس است، کدگذاری می‌کنند. پروفسور جراردو آدسو (Gerardo Adesso) در این مورد می‌گوید :
با وجود یک قرن تحقیق، هنوز جنبه‌های زیادی در قلب مکانیک کوانتومی وجود دارد که ما نمی‌شناسیم یا نمی‌فهمیم. اگرچه این جهل اساسی، همانطور که کار ما نشان می‌دهد مانع استفاده بهینه از ویژگی‌های کوانتومی نمی‌شود. ما امیدواریم که مطالعه نظری ما بتواند پیشرفت‌های هیجان‌انگیزی در زمینه رشد ترمودینامیک کوانتومی ایجاد کند و عامل تسریع پیشرفت در رقابت درحال توسعه فناوری‌های پیشرفته کوانتومی باشد. موتورهای گرمایی کوانتومی، نسخه‌های میکروسکوپی بخاری‌ها و یخچال‌های روزمره ما هستند، که ممکن است تنها با یک یا چند اتم (همانطور که در حال حاضر به طور تجربی تایید شده) تحقق یابند و عملکرد آن‌ها را می‌توان با اثرات کوانتومی واقعی مانند برهم نهی و درهم تنیدگی افزایش داد. در حال حاضر، ما برای دیدن پارادوکس گیبس کوانتومی که در یک آزمایشگاه اجرا می‌شود، نیاز به کنترل دقیق پارامترهای سیستم داریم که ممکن است در سیستم های تنظیم شده شبکه نوری یا میعانات بوز-اینشتین امکان‌پذیر باشد. ما در حال حاضر به کمک گروه‌های تجربی، در حال ساخت چنین ابزاری هستیم.
