Квантовые двигатели из атомов и света раскрыли полезную энергию в «отработанном тепле»

Атом в полости между двумя зеркалами (слева) действует как тепловая машина в управляемой диссипативной квантовой системе, в которой энергия непрерывно добавляется и теряется в окружающей среде. Флуктуации в выходящем свете (в центре) уменьшаются (справа), если квантово-механически описывается только атом, но не свет. Авторы: Энрике Саагун, Scixel / Базельский университет, физический факультет

Что считать теплом, а что полезной работой, когда машина состоит всего из одного атома и частиц света? В развивающихся квантовых технологиях подобные вопросы объединяют два раздела физики, которые изначально создавались для совершенно разных целей. Исследователи Базельского университета в Швейцарии представили теоретическую основу, призванную согласовать термодинамику и квантовую физику в едином контексте.

Термодинамика возникла в XIX веке главным образом для объяснения того, как большие машины, такие как паровые двигатели, преобразуют и передают энергию. Квантовая физика, разработанная в начале XX века, напротив, фокусируется на атомах и субатомных частицах. Сегодня эти две области все больше пересекаются. Микроскопические системы из атомов и частиц света (фотонов) могут поглощать энергию, преобразовывать ее и высвобождать, функционируя как микроскопические квантовые машины.

Основная проблема — найти описание, которое остается корректным как при полном квантово-механическом рассмотрении системы, так и в полуклассическом пределе. Последний представляет собой предельный случай, когда одна часть системы описывается квантово-механически, а для другой достаточно классической физики. Исследователи из группы профессора Патрика Поттса в Базельском университете представили такой подход в журнале Physical Review Letters.

Миниатюрный квантовый световой двигатель

«Наши расчеты касаются конкретной физической модели атома, помещенного в полость между двумя зеркалами, где он может поглощать и испускать частицы света», — говорит постдок Марсело Янович. В этой установке лазер непрерывно поставляет дополнительные фотоны в полость, в то время как часть света выходит через частично отражающие зеркала.

«Это классический пример так называемой управляемой диссипативной системы, которая непрерывно получает энергию и одновременно теряет ее в окружающую среду», — отмечает исследователь. Модель дает физикам возможность изучать фундаментальные вопросы, связанные с открытыми квантовыми системами. В данном случае атом ведет себя подобно миниатюрной тепловой машине или, точнее, «световому двигателю».

Поттс и его коллеги ранее показали, что фотоны, покидающие полость, не следует автоматически рассматривать как «отработанное тепло» в термодинамическом описании. Часть энергии, переносимая этим выходящим светом, все еще может быть использована для совершения полезной работы над другой квантовой системой.

Их последнее исследование было посвящено тому, что происходит с этим различием между теплом и полезной энергией, когда система приближается к полуклассическому пределу.

Отделение полезной энергии от тепла

В полуклассическом пределе атом внутри полости по-прежнему рассматривается как квантовая система с дискретными энергетическими уровнями. Свет же описывается как классическая электромагнитная волна, что означает, что его квантовыми эффектами можно пренебречь.

«Классическое описание света значительно упрощает определение того, какая часть энергии может быть использована для совершения работы, а какая является неупорядоченным теплом», — говорит Янович. Для непротиворечивости теории это классическое предельное поведение должно естественным образом возникать из полного квантово-термодинамического описания.

Янович и его коллеги математически продемонстрировали, что это возможно в рамках их подхода. Когда часть испущенного света классифицируется как полезная работа, теория плавно переходит в полуклассический предел.

Традиционный подход дает иной результат. Если вся энергия, покидающая полость, учитывается как тепло, теория не совершает такого же согласованного перехода.

Квантовые флуктуации становятся ресурсом

Исследователи также обнаружили, что их расчеты корректно описывают, как квантовые эффекты могут уменьшать флуктуации в испускаемых частицах света.

Эти уменьшенные флуктуации могут быть особенно ценны для квантовых технологий. Тепло часто создает возмущения, затрудняющие контроль квантовых систем, но при определенных условиях оно может стать полезным ресурсом.

Например, эффект может помочь в создании особых состояний света, полезных для особо точных измерений в квантовой метрологии. Результаты показывают, как лучшее понимание границы между теплом и полезной работой может помочь исследователям использовать энергию, которая в противном случае казалась бы потерянной.

Источники:

Материалы предоставлены Базельским университетом.

Marcelo Janovitch, Sander Stammbach, Matteo Brunelli, Patrick P. Potts. Bridging Quantum and Semiclassical Thermodynamics in Cavity QED. Physical Review Letters, 2026; 137 (7) DOI: 10.1103/y6h7-sx93