Исследователи из Центра теоретической физики сложных систем Института фундаментальных наук (PCS-IBS) сделали важное открытие, описывающее взаимосвязь между синхронизацией и термодинамикой в квантовых системах.
Вопрос о том, как из беспорядка возникает порядок, веками волновал человечество. Одним из увлекательных примеров такого появления является синхронизация, когда несколько генераторов, инициализированных случайным образом, могут в конечном итоге колебаться в гармонии. Синхронизация существует в нашей повседневной жизни — например, звук хлопка в ладоши или одновременное мигание светлячков.
Примечательно, что ученые обнаружили множество случаев синхронизации в различных природных и искусственных явлениях, в том числе в очень малых системах, управляемых квантовой механикой.
В то же время изучение синхронизации должно также учитывать второй закон термодинамики, который допускает только увеличение общего беспорядка во Вселенной. Это означает, что для спонтанного появления синхронизации, подобной порядку, должна быть цена увеличения беспорядка где-то еще (например, расточительное тепло в окружающей среде). Тем не менее, несмотря на эти интригующие связи, точная связь между синхронизацией и термодинамикой остается загадкой.
Чтобы разгадать основную связь между синхронизацией и термодинамикой в квантовом режиме, исследователи PCS-IBS исследовали новую квантовую тепловую машину, которая демонстрирует синхронизацию. Эта машина способна действовать как квантовая тепловая машина или как квантовый холодильник. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters,.
Как тепловой двигатель, он преобразует тепловой поток от горячих ванн к холодным, чтобы усилить интенсивность лазерного излучения. И наоборот, в качестве холодильника он использует энергию лазерного излучения для поддержания температуры холодной ванны. Важно отметить, что эта машина способна синхронизироваться одновременно с выполнением своей задачи благодаря постоянному взаимодействию с лазером.
Любопытно, что исследователи обнаружили, что по мере того, как они увеличивали масштаб машины, в ней начали возникать несколько синхронизирующих акторов. На поведение синхронизации машины влияло не только ее взаимодействие с лазерами, но и взаимодействие между ее различными компонентами.
Эти отдельные субъекты синхронизации могут как сотрудничать, так и конкурировать, как два человека, прыгающие на батуте — например, назовем их Джек и Джилл. Сотрудничество возникает, когда и Джек, и Джилл гармонично регулируют ритм прыжков, одновременно достигая высшей и низшей точек. И наоборот, конкуренция возникает, когда Джек пытается соответствовать ритму Джилл, в то время как Джилл намеренно делает противоположное, например, стремится быть в самой низкой точке, когда Джек достигает своего максимума.
По словам соответствующего автора, доктора Джузара Тингны, «это первый пример, в котором показано, что синхронизирующие квантовые системы взаимодействуют и конкурируют, открывая путь к более богатому ландшафту синхронизации, подобному квантовым химерам».
Интересно, что сотрудничество и конкуренция между различными механизмами синхронизации тесно связаны с термодинамической функциональностью машины. Сотрудничество проявляется в случае с холодильником, т. е. они предпочитают систему, которая синхронизируется в гармонии, как мирный оркестр. С другой стороны, конкуренция возникает в случае с тепловыми двигателями, поскольку их компоненты процветают посреди сумасшедшей вечеринки и используют весь хаос, чтобы работать наилучшим образом.
Эти открытия важны, потому что они не только проливают свет на фундаментальную связь между синхронизацией и термодинамикой, но также дают нам новые идеи для разработки квантовых технологий и связывают абстрактное понятие синхронизации с характеристиками квантовых устройств.
Другими словами, улучшение нашего понимания того, как работает синхронизация в квантовых машинах, позволит нам создавать более совершенные устройства, которые согласованно работают вместе. Это может привести к созданию более эффективных и мощных квантовых машин, которые однажды вызовут квантовую революцию.
Предоставлено Институтом фундаментальных наук