Физик определил фундаментальные пределы точности квантовых тепловых машин

Иллюстрация множества достижимых состояний для квантовых тепловых машин. Автор: Ёсихико Хасэгава

Физик Ёсихико Хасэгава из Токийского университета определил фундаментальные пределы точности для квантовых тепловых машин — устройств, использующих квантово-механические эффекты для преобразования энергии в полезную работу или охлаждение.

В статье, опубликованной в Physical Review Letters, исследователь показал, что квантовая когерентность может уменьшать флуктуации, повышая точность работы квантовых тепловых машин.

«Термодинамические соотношения неопределенностей прояснили важный принцип «бесплатного сыра не бывает»: если вы хотите сделать операцию более точной, вы должны заплатить большую термодинамическую стоимость, то есть производство энтропии», — объяснил Хасэгава.

Ученый рассмотрел открытые квантовые системы с конечным числом возможных состояний и вывел новые математические границы, определяющие, насколько точным может быть выход квантовых тепловых машин. Эти границы не зависят от динамики работы отдельных устройств.

Иллюстрация квантовой батареи. Автор: Ёсихико Хасэгава

Применение к квантовым батареям

В своем исследовании Хасэгава также изучил случай квантовой батареи и определил пределы точности хранения энергии. Он показал, что существует четкий компромисс — невозможно одновременно хранить большое количество энергии и достигать сколь угодно высокой точности зарядки.

«Концептуально ключевой вклад заключается в переходе от компромиссов «стоимость-точность», которые зависят от конкретной динамики, к универсальным границам, которые выполняются для любой возможной динамики, согласованной с начальными условиями», — отметил физик.

Эта работа устанавливает фундаментальные ограничения на точность конечномерных квантовых тепловых машин, которые могут направлять будущее развитие этих систем, включая применение в квантовом машинном обучении.

ИИ: Это исследование подчеркивает фундаментальные ограничения, с которыми столкнутся разработчики будущих квантовых устройств. Интересно, что квантовая когерентность, обычно ассоциирующаяся с хрупкостью квантовых систем, здесь выступает как фактор, способный улучшить точность работы тепловых машин.