Los investigadores han desarrollado una nueva versión cuántica de un experimento mental termodinámico de hace 150 años que podría allanar el camino para el desarrollo de motores térmicos cuánticos.

Los matemáticos de la Universidad de Nottingham han aplicado una nueva teoría cuántica a la paradoja de Gibbs y han demostrado una diferencia fundamental en los roles de información y control entre la termodinámica clásica y cuántica. Su investigación ha sido publicada hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

La paradoja clásica de Gibbs condujo a ideas cruciales para el desarrollo de la termodinámica temprana y enfatiza la necesidad de considerar el grado de control de un experimentador sobre un sistema.

El equipo de investigación desarrolló una teoría basada en la mezcla de dos gases cuánticos, por ejemplo, uno rojo y uno azul, por lo demás idénticos, que comienzan separados y luego se mezclan en una caja. En general, el sistema se ha vuelto más uniforme, que se cuantifica por un aumento de la entropía. Si el observador luego se pone gafas de color púrpura y repite el proceso; los gases tienen el mismo aspecto, por lo que parece como si nada cambiara. En este caso, el cambio de entropía es cero.

Los autores principales del artículo, Benjamin Yadin y Benjamin Morris, explicar:"Nuestros hallazgos parecen extraños porque esperamos que las cantidades físicas, como la entropía, tengan un significado independiente de quién las calcule. Para resolver la paradoja, debemos darnos cuenta de que la termodinámica nos dice qué cosas útiles puede hacer un experimentador que tiene dispositivos con capacidades específicas. Por ejemplo, Se puede utilizar un gas expansivo calentado para impulsar un motor. Para extraer trabajo (energía útil) del proceso de mezcla, necesita un dispositivo que pueda "ver" la diferencia entre los gases rojos y azules ".

Clásicamente un experimentador "ignorante", que ve los gases como indistinguibles, no puede extraer trabajo del proceso de mezcla. La investigación muestra que en el caso cuántico, a pesar de no poder distinguir la diferencia entre los gases, el experimentador ignorante todavía puede extraer trabajo mezclándolos.

Teniendo en cuenta la situación en la que el sistema se vuelve grande, donde el comportamiento cuántico normalmente desaparecería, los investigadores encontraron que el observador ignorante cuántico puede extraer tanto trabajo como si hubiera sido capaz de distinguir los gases. Controlar estos gases con un gran dispositivo cuántico se comportaría de manera completamente diferente a un motor térmico macroscópico clásico. Este fenómeno resulta de la existencia de estados de superposición especiales que codifican más información de la que está disponible clásicamente.

El profesor Gerardo Adesso dijo:"A pesar de un siglo de investigación, Hay tantos aspectos que no conocemos o aún no entendemos en el corazón de la mecánica cuántica. Una ignorancia tan fundamental, sin embargo, no nos impide hacer un buen uso de las características cuánticas, como revela nuestro trabajo. Esperamos que nuestro estudio teórico pueda inspirar desarrollos emocionantes en el floreciente campo de la termodinámica cuántica y catalizar un mayor progreso en la carrera en curso por tecnologías mejoradas cuánticas.

"Los motores de calor cuántico son versiones microscópicas de nuestros calentadores y refrigeradores de uso diario, que se puede realizar con solo uno o unos pocos átomos (como ya se verificó experimentalmente) y cuyo rendimiento puede ser impulsado por efectos cuánticos genuinos como la superposición y el entrelazamiento. Ahora, ver nuestra paradoja cuántica de Gibbs en un laboratorio requeriría un control exquisito sobre los parámetros del sistema, algo que puede ser posible en sistemas de "celosía óptica" afinados o condensados ​​de Bose-Einstein; actualmente estamos trabajando para diseñar tales propuestas en colaboración con grupos experimentales ".