Teori Kuantum Baru Memperdalam Penelitian yang Berkaitan dengan Termodinamika

Teori Kuantum Baru Memperdalam Penelitian yang Berkaitan dengan Termodinamika

Matematikawan dari University of Nottingham telah menerapkan teori kuantum baru ke paradoks Gibbs dan menunjukkan perbedaan mendasar dalam peran informasi dan kontrol antara termodinamika klasik dan kuantum. Penelitian mereka telah dipublikasikan di Nature Communications. Paradoks Gibbs klasik mengarah pada wawasan penting untuk pengembangan termodinamika awal dan menekankan perlunya mempertimbangkan tingkat kendali pelaku eksperimen atas suatu sistem.

Tim peneliti mengembangkan teori berdasarkan pencampuran dua gas kuantum misalnya, satu merah dan satu biru, jika tidak identik dan yang mulai terpisah kemudian bercampur dalam sebuah kotak. Secara keseluruhan, sistem menjadi lebih seragam, yang diukur dengan peningkatan entropi. Jika pengamat kemudian memakai kacamata berwarna ungu dan mengulangi prosesnya maka gasnya terlihat sama, jadi sepertinya tidak ada yang berubah. Dalam kasus ini, perubahan entropi adalah nol.

Penulis utama makalah, Benjamin Yadin dan Benjamin Morris, menjelaskan: "Temuan kami tampak aneh karena kami mengharapkan kuantitas fisik seperti entropi memiliki makna yang tidak bergantung pada siapa yang menghitungnya. Untuk menyelesaikan paradoks, kita harus menyadari bahwa termodinamika memberi tahu kami hal-hal berguna apa yang dapat dilakukan oleh seorang pelaku eksperimen yang memiliki perangkat dengan kemampuan tertentu. Misalnya, gas yang memuai yang dipanaskan dapat digunakan untuk menggerakkan mesin. Untuk mengekstraksi pekerjaan (energi yang berguna) dari proses pencampuran, Anda memerlukan perangkat yang dapat "melihat" perbedaan antara gas merah dan biru. "

Secara klasik, seorang pelaku eksperimen yang "bodoh", yang melihat gas tidak dapat dibedakan maka tidak dapat juga mengekstraksi pekerjaan dari proses pencampuran. Penelitian menunjukkan bahwa dalam kasus kuantum, meskipun tidak dapat membedakan antara gas, pelaku eksperimen yang bodoh masih dapat mengekstraksi pekerjaan melalui pencampuran.

Mempertimbangkan situasi ketika sistem menjadi besar, di mana perilaku kuantum biasanya akan menghilang, para peneliti menemukan bahwa pengamat quantum ignorant dapat mengekstraksi sebanyak mungkin pekerjaan seolah-olah mereka mampu membedakan gas. Mengontrol gas-gas ini dengan perangkat kuantum besar akan berperilaku sangat berbeda dari mesin kalor makroskopis klasik. Fenomena ini dihasilkan dari keberadaan status superposisi khusus yang menyandikan lebih banyak informasi daripada yang tersedia secara klasik.

Profesor Gerardo Adesso berkata: "Meskipun telah dilakukan penelitian selama satu abad, ada begitu banyak aspek yang tidak kita ketahui atau belum kita pahami di jantung mekanika kuantum. Namun, ketidaktahuan mendasar seperti itu tidak menghalangi kita untuk meletakkan fitur kuantum untuk penggunaan yang lebih baik. Kami berharap studi teoretis kami dapat menginspirasi perkembangan menarik di bidang termodinamika kuantum yang sedang berkembang dan mengkatalisasi kemajuan lebih lanjut dalam perlombaan berkelanjutan untuk teknologi yang ditingkatkan kuantum.

Mesin panas kuantum adalah versi mikroskopis dari pemanas dan lemari es kita sehari-hari, yang dapat direalisasikan hanya dengan satu atau beberapa atom (sebagaimana telah diverifikasi secara eksperimental) dan kinerjanya dapat ditingkatkan oleh efek kuantum seperti superposisi dan keterjeratan. Saat ini, melihat paradoks Gibbs kuantum yang dimainkan di laboratorium akan membutuhkan kontrol yang sangat baik atas parameter sistem, sesuatu yang mungkin dapat dilakukan dalam sistem "kisi optik" yang disetel dengan baik atau kondensat Bose-Einstein dan kami sedang bekerja untuk merancang proposal semacam itu di kolaborasi dengan kelompok eksperimental.

Hasil penelitian memberikan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana panas dan energi ditransformasikan pada skala yang sangat kecil. Ini diharapkan memiliki aplikasi luas dalam desain sistem kecil, termasuk perangkat berskala nano, motor biologis, dan teknologi kuantum seperti komputer kuantum.

Beberapa mesin panas kuantum sebagai aplikasi nyata termodinamika kuantum. Mesin-mesin tersebut dibangun melalui proses-proses termodinamika kuantum berdasarkan tinjauan hukum pertama termodinamika secara kuantum. Dalam termodinamika kuantum, perubahan kalor sistem terkait dengan perubahan probabilitas partikel dan perubahan usaha sistem terkait dengan perubahan energi eigen partikel. Diperoleh perumusan usaha dan efisiensi mesin panas kuantum secara umum, selanjutnya diberikan beberapa model sistem kuantum sebagai ilustrasi dari mesin panas kuantum. Akhirnya diperoleh bahwa secara umum efisiensi mesin-mesin panas kuantum sama dengan efisiensi mesin klasiknya masing-masing.



Sumber

Benjamin Yadin, Benjamin Morris, Gerardo Adesso. Mixing indistinguishable systems leads to a quantum Gibbs paradox. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-21620-7


Lebih baru Lebih lama