Os pesquisadores desenvolveram uma nova versão qua¢ntica de um experimento de pensamento termodina¢mico de 150 anos que pode abrir caminho para o desenvolvimento de motores de calor qua¢nticos.

Matema¡ticos da Universidade de Nottingham aplicaram a nova teoria qua¢ntica ao paradoxo de Gibbs e demonstraram uma diferença fundamental nos papanãis da informação e do controle entre a termodina¢mica qua¢ntica e cla¡ssica. Sua pesquisa foi publicada hoje na Nature Communications .

O paradoxo de Gibbs cla¡ssico levou a descobertas cruciais para o desenvolvimento da termodina¢mica 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 qua¢nticos - por exemplo, um vermelho e um azul, de outra forma idaªnticos - que comea§am separados e depois se misturam em uma caixa. No geral, o sistema tornou-se mais uniforme, o que équantificado por um aumento na entropia. Se o observador então colocar a³culos de cor roxa e repetir o processo; os gases parecem iguais, então parece que nada muda. Nesse caso, a mudança de entropia ézero.

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 termodina¢mica diz que coisas aºteis podem ser feitas por um experimentador que tem dispositivos com capacidades especa­ficas. Por exemplo, um gás de expansão aquecido pode ser usado para acionar um motor. Para extrair trabalho (energia útil) do processo de mistura, vocêprecisa de um dispositivo que pode "ver" a diferença entre os gases vermelhos e azuis. "

Classicamente, um experimentador "ignorante", que vaª os gases como indistingua­veis, não pode extrair trabalho do processo de mistura. A pesquisa mostra que, no caso qua¢ntico, 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 qua¢ntico normalmente desapareceria, os pesquisadores descobriram que o observador qua¢ntico ignorante pode extrair tanto trabalho como se tivesse sido capaz de distinguir os gases. O controle desses gases com um grande dispositivo qua¢ntico se comportaria de maneira totalmente diferente de uma ma¡quina de calor macrosca³pica cla¡ssica. Esse fena´meno resulta da existaªncia de estados de superposição especiais que codificam mais informações do que as classicamente dispona­veis.

O professor Gerardo Adesso disse: “Apesar de um século de pesquisa, hátantos aspectos que não conhecemos ou ainda não entendemos no seio da meca¢nica qua¢ntica. Tal ignora¢ncia fundamental, poranãm, não nos impede de colocar recursos qua¢nticos para um bom uso, como nosso trabalho revela. Esperamos que nosso estudo tea³rico possa inspirar desenvolvimentos interessantes no campo florescente da termodina¢mica qua¢ntica e catalisar novos progressos na corrida conta­nua por tecnologias aprimoradas qua¢nticas.

"Os motores de calor qua¢nticos são versaµes microsca³picas de nossos aquecedores e refrigeradores dia¡rios, que podem ser realizados com apenas um ou alguns a¡tomos (como já verificado experimentalmente) e cujo desempenho pode ser impulsionado por efeitos qua¢nticos genua­nos, como sobreposição e emaranhamento. Atualmente, para ver nosso paradoxo qua¢ntico de Gibbs em um laboratório exigiria controle requintado sobre os parametros do sistema, algo que pode ser possí­vel em sistemas de "rede a³ptica" ajustados ou condensados ​​de Bose-Einstein - estamos atualmente trabalhando para projetar tais propostas em colaboração com grupos experimentais. "