競争と共同

大きな振り子時計が、さまざまなリズムで動き始めるいくつかの小さな振り子時計に囲まれていることを想像してください。 時計の振り子が隣の時計のリズムに基づいてリズムを調整できるようにすると、時間が経つにつれて、時計の振り子が互いに同期し、一斉に動くようになります。 この同期プロセスには 2 つのフィードバック メカニズムが含まれます。1 つは同一の小さなクロック間の相互作用、もう 1 つは各小さなクロックと大きな外部クロックとの相互作用です。

しかし、量子の世界では、この共存、そしてそれに対する量子相関の影響はほとんど解明されていません。 量子システムにおける同期の熱力学的利点についても、あまり研究されていません。

韓国の基礎科学研究所の複雑系理論物理学センターとインドのボンベイ工科大学の研究者らは最近、このギャップに対処することに着手した。 彼らの研究は、量子マシンで熱力学的挙動を示すときに、システム間の相互作用と共通の外部ソースとの相互作用という 2 つの同期メカニズムがどのように競合または協力するかを明らかにします。

Physical Review Letters で説明されている研究では、Taufiq Murtadho、Sai Vinjanampathy、Juzar Thingna は、相互に作用する一連の量子熱マシンについて考察しています。 問題のマシンは、高温および低温の貯蔵所と接触する多レベル量子システムです。 システムの最も励起されたレベルは、比喩における小さな時計に似た、相互結合を伴う複数の同一の部分で構成されます。 システムの進化を引きずる一般的な外部ユニットである大時計の動作を模倣するために、マシンは外部ソースとも対話します。 動作体制に応じて、このセットアップは高温のリザーバから低温のリザーバに熱を送り出すエンジンとして動作することも、その逆の冷蔵庫として動作することもできます。

研究チームは、同期メカニズムの相互作用と量子熱エンジンでのその有用性を調査するには、外部ソースと相互作用する単純な 4 レベルのシステムで十分であることを示すことから始めました。 次に、Thingna らは、セットアップがエンジンとして動作するときと冷蔵庫として動作するときに、2 つの同期メカニズムによって機械内の複数の同一部品に何が起こるかを研究しました。

特に、機械の個々の部品間の相互作用により、すべての部品がリズムに一致する対称的な構成と、すべての部品がリズムに一致しない非対称的な構成が生成される可能性があることがわかりました。 対照的に、外部ソースは常に複数のパーツを対称的な構成にドラッグします。

このスレッドをたどると、研究者らはエンジン領域では、相互作用と外部駆動という 2 つのメカニズムが相反する状態構成を有利に扱うことを発見しました。 これにより、2 つのメカニズム間の競合が発生します。 しかし、冷蔵庫の領域では、両方の機構が対称的な構成を好むため、連携します。

次にチームはさらに一歩進んで、熱力学的限界において、複数の個別部品の数が非常に多い場合でも、メカニズム間の競争と協力が依然として発生することを示しました。 ただし、システムがスケールアップされると、相互結合が主要なメカニズムになります。 これにより、協力体制は影響を受けませんが、競争は依然として存在しますが、エンジン体制ではその関連性が低くなります。

著者らは、メカニズム間の相互作用を明らかにすることに加えて、同期が量子マシンの熱力学的性能にどのような影響を与えるかについても明らかにしています。 Physical Review A に掲載された補足論文の中で、著者らは、同期によって発生する無駄な熱の量をどのように制限できるかを説明しています。 作業機械、エンジン、または冷蔵庫の場合、これは、よく知られているカルノーの上限を超えて、効率の新しい下限を意味します。

量子力学と熱力学はどちらも真実である可能性があると物理学者は言う

Thingna 氏と Vinjanampathy 氏によると、これらの結果は、外部駆動と相互作用が重要な量子技術の構築に直接的な影響を与えるとのことです。 彼らは、熱力学と量子システムにおけるさまざまなタイプの同期メカニズムとの関係を理解することが、熱力学原理に基づいて動作するエネルギー効率の高いマシンの構築と設計に不可欠であると付け加えています。 この研究は、量子熱力学における「量子」のさまざまな側面のパズルにもう 1 つのピースを追加すると彼らは結論付けています。