150年前の熱力学的思考実験の新量子バージョン開発

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ノッティンガム大学の研究チームは、150年前の熱力学的思考実験の新しい量子バージョンを開発しました。
チームは、ギブズのパラドックスに新しい量子論を適用し、古典熱力学と量子熱力学の間の情報と制御の役割の根本的な違いを示しました。

Mathematicians from the University of Nottingham have applied new quantum theory to the Gibbs paradox and demonstrated a fundamental difference in the roles of information and control between classical and quantum thermodynamics. Their research has been published today in Nature Communications.

参照元:https://www.nottingham.ac.uk/news/new-quantum-theory-heats-up-thermodynamic-research
– ノッティンガム大学 University of Nottingham. Friday, 05 March 2021 –

研究者たちは、量子熱機関の開発への道を開くことができる、150年前の熱力学的思考実験の新しい量子バージョンを開発しました。

ノッティンガム大学の数学者は、ギブズのパラドックスに新しい量子論を適用し、古典熱力学と量子熱力学の間の情報と制御の役割の根本的な違いを示しました。

彼らの研究は、ネイチャー・コミュニケーションズに掲載されました。

古典的なギブズのパラドックスは、初期の熱力学の開発に重要な洞察をもたらし、システムに対する実験者の制御の程度を考慮する必要性を強調しています。

研究チームは、2つの量子ガス(たとえば、1つは赤と1つは青、それ以外は同一)の混合に基づいた理論を開発しました。

これらのガスは分離され、ボックス内で混合されます。

全体として、システムはより均一になりました。これは、エントロピーの増加によって定量化されます。

その後、観察者が紫がかった眼鏡をかけ、プロセスを繰り返す場合。ガスは同じように見えるので、何も変わらないように見えます。

この場合、エントロピーの変化はゼロです。

論文の筆頭著者であるBenjaminYadin氏とBenjaminMorris氏は、次のように説明しています。

  • 特定の機能を備えたデバイスを持っている実験者ができる便利なことを教えてください。
  • たとえば、加熱された膨張ガスを使用してエンジンを駆動できます。
  • 混合プロセスから仕事(有効エネルギー)を抽出するには、デバイスが必要です。
  • それは、赤いガスと青いガスの違いを「見る」ことができます。

古典的に、ガスを区別できないと見なす「無知な」実験者は、混合プロセスから仕事を抽出することはできません。

研究によると、量子の場合、ガスの違いを区別することはできませんが、無知な実験者はそれらを混合することで仕事を抽出することができます。

システムが大きくなり、通常は量子の振る舞いが消える状況を考えると、研究者たちは、量子を知らない観測者は、ガスを区別できたかのように多くの仕事を抽出できることを発見しました。

大きな量子デバイスでこれらのガスを制御すると、従来の巨視的な熱機関とはまったく異なる動作をします。

この現象は、従来よりも多くの情報をエンコードする特別な重ね合わせ状態の存在に起因します。

ジェラルド・アデッソ教授は話します。

「1世紀にわたる研究にもかかわらず、量子力学の中心には、私たちが知らない、またはまだ理解していない側面がたくさんあります。しかし、そのような根本的な無知は、私たちが置くことを妨げるものではありません。私たちの研究が明らかにしているように、量子機能は有効に活用されています。私たちの理論的研究が、量子熱力学の急成長する分野での刺激的な発展を刺激し、量子強化技術の進行中の競争のさらなる進歩を促進することを願っています。」

「量子熱機関は、私たちの日常のヒーターと冷蔵庫の微視的なバージョンであり、1つまたは数個の原子で実現でき(すでに実験的に検証済み)、重ね合わせやエンタングルメントなどの真の量子効果によって性能を向上させることができます。実験室で行われる量子ギブスのパラドックスは、システムパラメータの精巧な制御を必要とすることを参照してください。これは、微調整された「光学格子」システムまたはボーズアインシュタイン凝縮で可能かもしれません。現在、このような提案を設計するために取り組んでいます。」

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