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Nova teoria quântica esquenta a pesquisa termodinâmica
Matemáticos da Universidade de Nottingham aplicaram a nova teoria quântica ao paradoxo de Gibbs e demonstraram uma diferença fundamental nos papéis da informação e do controle entre a termodinâmica quântica e clássica.
Por University of Nottingham - 05/03/2021


Ilustração da teoria baseada na mistura de dois gases quânticos. Crédito: Beth Morris, University of Nottingham Maths PhD

Os pesquisadores desenvolveram uma nova versão quântica de um experimento de pensamento termodinâmico de 150 anos que pode abrir caminho para o desenvolvimento de motores de calor quânticos.

Matemáticos da Universidade de Nottingham aplicaram a nova teoria quântica ao paradoxo de Gibbs e demonstraram uma diferença fundamental nos papéis da informação e do controle entre a termodinâmica quântica e clássica. Sua pesquisa foi publicada hoje na Nature Communications .

O paradoxo de Gibbs clássico levou a descobertas cruciais para o desenvolvimento da termodinâmica inicial e enfatiza a necessidade de considerar o grau de controle do experimentador sobre um sistema.

A equipe de pesquisa desenvolveu uma teoria baseada na mistura de dois gases quânticos - por exemplo, um vermelho e um azul, de outra forma idênticos - que começam separados e depois se misturam em uma caixa. No geral, o sistema tornou-se mais uniforme, o que é quantificado por um aumento na entropia. Se o observador então colocar óculos de cor roxa e repetir o processo; os gases parecem iguais, então parece que nada muda. Nesse caso, a mudança de entropia é zero.

Os principais autores do artigo, Benjamin Yadin e Benjamin Morris, explicam: "Nossas descobertas parecem estranhas porque esperamos que quantidades físicas como a entropia tenham significado independente de quem as calcula. Para resolver o paradoxo, devemos perceber que a termodinâmica diz que coisas úteis podem ser feitas por um experimentador que tem dispositivos com capacidades específicas. Por exemplo, um gás de expansão aquecido pode ser usado para acionar um motor. Para extrair trabalho (energia útil) do processo de mistura, você precisa de um dispositivo que pode "ver" a diferença entre os gases vermelhos e azuis. "

Classicamente, um experimentador "ignorante", que vê os gases como indistinguíveis, não pode extrair trabalho do processo de mistura. A pesquisa mostra que, no caso quântico, apesar de não conseguir diferenciar os gases, o experimentador ignorante ainda consegue extrair trabalho misturando-os.

Considerando a situação em que o sistema se torna grande, onde o comportamento quântico normalmente desapareceria, os pesquisadores descobriram que o observador quântico ignorante pode extrair tanto trabalho como se tivesse sido capaz de distinguir os gases. O controle desses gases com um grande dispositivo quântico se comportaria de maneira totalmente diferente de uma máquina de calor macroscópica clássica. Esse fenômeno resulta da existência de estados de superposição especiais que codificam mais informações do que as classicamente disponíveis.

O professor Gerardo Adesso disse: “Apesar de um século de pesquisa, há tantos aspectos que não conhecemos ou ainda não entendemos no seio da mecânica quântica. Tal ignorância fundamental, porém, não nos impede de colocar recursos quânticos para um bom uso, como nosso trabalho revela. Esperamos que nosso estudo teórico possa inspirar desenvolvimentos interessantes no campo florescente da termodinâmica quântica e catalisar novos progressos na corrida contínua por tecnologias aprimoradas quânticas.

"Os motores de calor quânticos são versões microscópicas de nossos aquecedores e refrigeradores diários, que podem ser realizados com apenas um ou alguns átomos (como já verificado experimentalmente) e cujo desempenho pode ser impulsionado por efeitos quânticos genuínos, como sobreposição e emaranhamento. Atualmente, para ver nosso paradoxo quântico de Gibbs em um laboratório exigiria controle requintado sobre os parâmetros do sistema, algo que pode ser possível em sistemas de "rede óptica" ajustados ou condensados ​​de Bose-Einstein - estamos atualmente trabalhando para projetar tais propostas em colaboração com grupos experimentais. "

 

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