Ученые нашли способ применить законы термодинамики в квантовом мире

Физики из Базельского университета разработали новый подход, который позволяет применять классические законы термодинамики к квантовым системам. Проблема заключалась в том, что в микроскопическом квантовом мире традиционное разделение энергии на полезную «работу» и беспорядочную «теплоту» теряет смысл.

Когда лазерный свет проходит через полость с атомами, часть его может совершать полезную работу (например, заряжать квантовую батарею, сверху), а другая часть превращается в «теплоту» (снизу). Авторы: Enrique Sahagún, Scixel / University of Basel, Department of Physics

Исследователи под руководством профессора Патрика Поттса изучали систему с лазерным излучением в оптическом резонаторе. Ключевым параметром стала когерентность света — степень синхронности его электромагнитных волн. При прохождении через полость с атомами когерентность света может нарушаться.

«Проблема термодинамического описания квантовых систем в том, что в них всё микроскопично. Различие между работой, которая является полезной макроскопической энергией, и теплотой, или неупорядоченным микроскопическим движением, перестаёт быть очевидным», — поясняет докторант Аарон Даниэль.

Ученые предложили формализм, в котором полезной работой считается та часть выходящего из системы света, которая сохранила когерентность (например, способная зарядить квантовую батарею). Некогерентная же часть трактуется как теплота. При таком определении оба закона термодинамики остаются в силе для подобных квантовых систем.

Этот подход может быть полезен для развития квантовых технологий, включая сети, и для понимания перехода от квантового мира к привычному классическому поведению. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.