Automobilio variklio taisyklės atrodo aiškios, kol kalbame apie cilindrus, stūmoklius ir litrą degalų. Tačiau pažvelgus į vieną degalų molekulę tie patys dėsniai ima klibėti. Kvantiniame lygmenyje energija elgiasi kitaip, todėl klasikinė termodinamika čia tampa miglota.
Būtent su tokiu paradoksu ilgai susidūrė kvantinė fizika, bandydama pritaikyti šilumos dėsnius atomams ir fotonams. Mokslininkams trūko tikslių apibrėžimų, kas mažytėje sistemoje yra darbas, o kas yra šiluma. Be šio skirtumo kurti sudėtingas kvantines technologijas buvo rizikinga, lyg statyti namą nepatikrinus plytų tvirtumo.
Dabar atsakymas atėjo iš Bazelio, kur fizikai pasiūlė naują būdą tvarkytis su energija mikropasaulyje. Šis žingsnis svarbus ne dėl teorinės elegancijos, o dėl praktikos, kuri sparčiai artėja. Kvantiniams tinklams ir būsimiems įrenginiams reikia žinoti, kaip energija teka pačiuose mažiausiuose procesuose.
Kodėl klasikiniai dėsniai nebeveikia?
Termodinamika, gimusi devynioliktame amžiuje, puikiai aiškina tai, ką matome kasdien. Energijos tvermė ir entropijos didėjimas aprašo kiekvieną šiluminę mašiną iš mūsų mastelio. Tačiau kai sistema sumažėja iki vieno atomo lazerinėje gaudyklėje, riba tarp darbo ir šilumos išnyksta.
Makropasaulyje darbą atpažįstame, kai energija kelia daiktus ar suka mechanizmus. Šiluma mums reiškia chaotišką dalelių judėjimą ir energijos išsisklaidymą aplinkoje. O kvantinėje sistemoje, kur viskas sudaryta tik iš kelių fotonų, šių dviejų sąvokų atskirti neįmanoma be naujo kriterijaus.
Koherentiška šviesa kaip raktas
Bazelio grupė, apie kurią rašoma „Physical Review Letters“, rado sprendimą remdamasi realiais eksperimentais. Jie tyrė rezonatorius, kur atomai sąveikauja su lazerio šviesa uždaroje ertmėje. Lemiamoji savybė buvo šviesos koherencija, tai yra jos bangų tarpusavio tvarka ir sinchronas.
Koherentiškos bangos gali tvarkingai sužadinti atomus ir perduoti energiją kryptingai. Toks kryptingas perdavimas buvo apibrėžtas kaip kvantinis darbas, galintis įkrauti teorinę kvantinę bateriją. Tuo tarpu nekoherentiška, chaotiška spinduliuotės dalis prilyginta šilumai, nes ji neneša tvarkingos naudos.
Šis skirstymas leido termodinamikos dvasiai veikti net mažiausiose sistemose. Mokslininkai pagaliau gavo aiškų matą, kuris atpažįsta naudingą energijos kryptį. Taip atsiveria kelias apskaičiuoti, kiek darbo galima išgauti iš fotonų ar atomų rinkinio.
Ką tai keičia ateities technologijoms?
Praktinė reikšmė ypač ryški kalbant apie kvantinius tinklus, jungiančius kvantinius kompiuterius. Tokiuose tinkluose informacijos nešėjai dažnai yra pavieniai fotonai, tad energijos valdymas turi būti preciziškas. Naujas formalizmas suteikia projektuotojams įrankį planuoti, kaip perduoti energiją be perteklinių nuostolių.
Žinoma, tai nėra mygtukas, kuris rytoj įjungs naują prietaisų erą. Veikiau tai tvirti pamatai, ant kurių galima statyti sudėtingesnius modelius ir sprendimus. Kuo aiškiau suprasime darbą ir šilumą kvantų lygmenyje, tuo arčiau būsime ribos, kur keistas kvantinis pasaulis pereina į mums pažįstamą tvarką.
