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最新量子理论激发量子热力学研究,为量子热机研发铺平道路

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英国诺丁汉大学的研究人员将新的量子理论应用于吉布斯佯谬,并证明了经典热力学和量子热力学在信息和控制作用方面的根本区别,可以为量子热机的发展铺平道路。他们的研究发表在《自然·通讯》上。

吉布斯悖论为早期热力学的发展带来了至关重要的见解,并强调需要考虑实验者对系统的控制程度。

研究小组开发了一种基于混合两种量子气体(分别为红色和蓝色)的理论,它们开始是分离的,然后在盒子里混合。总的来说,系统变得更加统一,这是通过熵的增加来量化的。如果观察者戴上紫色眼镜,重复这个过程;气体看起来总是一样的,所以好像没有什么变化。在这种情况下,熵的变化为零。

研究人员称这一“发现看起来很奇怪,因为认为像熵这样的物理量具有独立于计算者的意义。”

“为了解决这个悖论,必须认识到,热力学告诉我们,一个拥有具有特定能力的设备的实验者可以做什么有用的事情。例如,加热膨胀的气体可以用来驱动发动机。为了从混合过程中提取功(有用的能量),需要一个可以“看到”红色和蓝色气体的区别的设备。”

一般来说,“无知”的实验者认为这些气体是无法区分的,无法从混合过程中提取功。研究表明,在量子的情况下,尽管无法分辨出气体之间的区别,无知的实验者仍然可以通过混合它们来提取功。

考虑到当系统变大时,量子行为通常会消失,研究人员发现实验者可以提取出与他们能够区分气体一样多的功。用一个大型量子装置来控制这些气体,其行为与经典的宏观热机完全不同。这种现象是由于特殊叠加态的存在而产生的,这种叠加态所编码的信息比经典的叠加态要多。

研究人员表示,“虽然在量子力学的核心仍有很多方面不知道或不理解......但这种无知并不妨碍我们好好利用量子特征。希望新理论研究能够激发量子热力学这个新兴领域令人兴奋的发展,并在促进量子增强技术进一步进展。”

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文链接:

https://www.nottingham.ac.uk/news/new-quantum-theory-heats-up-thermodynamic-research?utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_campaign=news


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