شیطانک ماکسول جدید در موتورهای گرمایی کوانتومی: محدودتر ولی موثرتر!

در موتورهایی که بر اساس شیطانک ماکسول معمولی کار می‌کنند شیطانک به حالت کوانتومی ماده کاری دسترسی دارد. اما یک شیطانک ماکسول محدود که تنها از طریق خواندن مکان یک نشانگر باعث استخراج کار می‌شود می‌تواند باعث اتفاقات شگفت‌انگیزی شود. در چنین موتور گرمایی به دست آوردن همزمان توان و بازده بالا امکان‌پذیر است. با دیپ لوک همراه باشید…

مفهوم شیطانک ماکسول حدود ۱۵۰ سال بعد از اینکه دانشمند معروف اسکاتلندی جیمز کلارک ماکسول برای اولین بار آن را مطرح کرد همچنان فیزیکدان‌ها و دانشمندان علم اطلاعات را به چالش می‌کشد. شیطانکی که او در یک آزمایش ذهنی در نظر گرفته بود، می‌توانست ذرات آهسته و سریع را در دو طرف یک محفظه از هم جدا کند و به نظر می‌رسید که قانون دوم ترمودینامیک را نقض می‌کند. فیزیکدان‌ها با در نظر گرفتن حافظه این شیطانک قادر بودند رفتار آن را با قوانین مکانیک آماری برای سیستم‌های کلاسیکی تطابق دهند. اما زمانی که موتور گرمایی کوانتومی پیشنهاد شد، وضعیت چالش‌برانگیزی به وجود آمد، زیرا فیزیکدان‌های علم ترمودینامیک و نظریه‌پردازان علم اطلاعات برای یافتن توضیحی قانع‌کننده به بحث و جدل پرداختند. آخرین نتایج بدست آمده از مدلسازی فیزیکی می‌تواند به جمع‌بندی این بحث‌های مختلف منجر شود. محققان دانشگاه ملی سنگاپور می‌گویند:

ما قصد داشتیم پیوند بین علم اطلاعات و ترمودینامیک را نشان دهیم.

آن‌ها که با همکاری گروهی از پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک در این زمینه تحقیق می‌کنند، موفق شدند با مدل‌سازی یک سیستم فیزیکی دارای «شیطانک ماکسول محدود» که فقط دسترسی محدودی به سیستم دارد نشان دهند که افزایش انتروپی از کجا ناشی می‌شود و اینکه آیا انتروپی منجر به چیزی به نام گرمای کوانتومی یا کار خالص انجام شده می‌شود یا خیر. محدودسازی توانایی شیطانک ماکسول به جمع‌بندی برخی مسائل مربوط به موتور گرمایی کوانتومی کمک می‌کند.

جدال‌های کوانتومی

در سیستم‌های کوانتومی، اندازه‌گیری‌ها می‌توانند حالت یک سیستم را تغییر دهند و اینجاست که پیامدهای قانون دوم ترمودینامیک به میان می‌آیند. اگر اندازه گیری با سیستم کوانتومی سازگار نباشد، باعث ایجاد انرژی می‌شود. این سوال که چنین تغییری در انرژی را باید به صورت «کار انجام شده» یا «گرمای کوانتومی» در نظر گرفت همچنان بدون جواب مانده است. برخی معتقدند که با تکرار اندازه گیری، این گرما اتلاف می‌شود و اینکه این انرژی منفعل بوده و نمی‌توان از آن بهره‌برداری کرد. بعلاوه با در نظر گرفتن اندازه گیری به عنوان یک کانال اتلاف‌کننده که تنها بر روی سیستم عمل می‌کند، دستگاه اندازه گیری به اشتباه نادیده گرفته می‌شود.

با اینکه جدال بر سر این موضوع غالبا در قلمروی انتزاعی نظریه اطلاعات و ترمودینامیک قرار می‌گیرد، اما اکنون محققان به شکلی هوشمندانه رهیافتی کاربردی را برای آن طراحی کرده‌اند. آن‌ها سیستمی را در نظر گرفته‌اند که در آن یک کیوبیت در تماس با یک منبع گرمایی است که می‌تواند آن را به یک حالت برانگیخته ببرد. این کیوبیت با یک نشانگر که موقعیتش را به شکل ماکروسکوپی و بر حسب حالت درونی کیوبیت تغییر می‌دهد، جفت می‌شود. آن‌ها در طرح خود این نشانگر را مانند یک فنر یا مولکولی که در یک چاه کوانتومی نوسان می‌کند، در نظر گرفته‌اند که در آن موقعیت انرژی کمینه بر حسب حالت کیوبیت تغییر می‌کند.

شیطانک ماکسول محدود

تفاوت کلیدی بین این سیستم و سناریوهای معمولی که شیطانک ماکسول با آن روبرو می‌شود، این است که شیطانک تنها به اطلاعات نشانگر دسترسی دارد. محققان با استفاده از این مدل نشان دادند که سیستم با این شیطانک ماکسول محدود می‌تواند بازخورد اندازه گیری را مانند چرخش‌های اسپین رابی (“Rabi spin flips”) در کیوبیت امکان‌پذیر کند که تعریف آن شامل کار مفید و افزایش انتروپی است که می‌توانند به صورت گرمای کوانتومی توصیف شوند.

به نظر می‌رسد این مدل، چالش‌های بزرگی را برای استدلالی که چند دهه کار کرده، ایجاد می‌کند، اما محققان از رسیدن به این نتیجه چندان شگفت‌زده نیستند. آن‌ها می‌گویند:

چیزی که باعث شگفتی شد این بود که فهمیدیم اگر از یک نشانگر ماکروسکوپی استفاده کنیم، رفتار متفاوتی با یک نشانگر میکروسکوپی مشاهده خواهیم کرد.

آن‌ها دریافتند که در این مدل، استفاده از یک کیوبیت دیگر به عنوان نشانگر باعث به وجود آمدن یک رفتار ترمودینامیکی آشنا به نام چرخه اتو (“Otto cycle”) می‌شود (این چرخه نشان دهنده چگونگی عملکرد برخی از اولین موتورهای مکانیکی در انقلاب صنعتی است). این امر فقط زمانی رخ می‌دهد که تغییر موقعیت‌های نشانگر، از افت‌ و خیزهای گرمایی، بسیار بزرگ تر باشد. بعلاوه نیاز نیست مانند یک موتور گرمایی کلاسیکی از حرکت‌های مجزا استفاده کرد. دانشمندان بر این باورند که می‌توان به صورت تصادفی اندازه گیری را انجام داد و در عین حال همه چیز به طور پیوسته، خوب و به نرمی اتفاق بیفتد. آن‌ها در گام بعدی در نظر دارند اتفاقات رخ داده برای حالت‌های خاص را (که ممکن است در آن‌ها درهم‌تنیدگی یا برهم نهی رخ دهد) بررسی کنند که ممکن است دارای مزیت‌ کوانتومی باشند.