Физики из Базельского университета смогли объединить законы квантовой оптики и классической термодинамики. Для этого они создали теоретическую модель микроскопического квантового двигателя, который работает внутри оптического резонатора (системы зеркал) за счет взаимодействия атомов и частиц света — фотонов.
Ученые с точностью до микрона рассчитали его энергетический баланс и смогли четко разделить выделяемое излучение на две части: полезную работу (упорядоченный световой луч) и пустую потерю тепла (хаотичный тепловой шум). Исследование объясняет, как крошечный световой двигатель производит полезную работу на масштабах, где привычные понятия тепла и механической энергии теряют привычные границы.
Классическая термодинамика зародилась в девятнадцатом веке для описания массивных паровых машин, где миллиарды хаотично сталкивающихся молекул создавали рабочее давление. Спустя столетие квантовая механика предложила совершенно иной взгляд на природу, сосредоточившись на дискретных свойствах отдельных электронов, атомов и квантов света. Долгое время эти дисциплины существовали изолированно, поскольку физика пара опиралась на статистику макроскопических тел, а квантовая теория исследовала микроскопическую изоляцию.
Развитие квантовых технологий заставило ученых по-новому взглянуть на то, как работает энергия в микромире. Когда весь двигатель состоит всего из одного атома и пары частиц света (фотонов), привычные законы физики ломаются. Граница между полезной работой и бесполезным выделением тепла практически стирается. Чтобы в будущем мы могли создавать надежные квантовые компьютеры и сверхмощные батарейки, ученым крайне важно научиться точно считать: какая часть пойманного света идет на полезное дело, а какая — просто улетает в пустоту и превращается в хаотичное тепло (энтропию).
Исследовательская группа под руководством профессора Патрика Поттса из Базельского университета в статье для журнала Physical Review Letters предложила схему квантовой машины. Ученые рассмотрели систему из одного атома, заключенного в оптический резонатор между двумя параллельными зеркалами.
Внешний лазер непрерывно накачивает в резонатор световые частицы, а полупрозрачные стенки позволяют квантам излучения постепенно вырываться наружу. Как объясняют авторы работы, такая открытая управляемо-диссипативная система постоянно получает энергию извне и одновременно сбрасывает ее излишки в окружающую среду. В этой установке атом играет роль поршня или рабочего тела: он поглощает фотоны, переходит на возбужденный энергетический уровень, а затем испускает их обратно в полость.
Новый метод ученых помог описать работу квантового двигателя сразу в двух режимах: чисто квантовом и «смешанном», полуклассическом. В таком смешанном режиме свет ведет себя привычно — как обычная электромагнитная волна, которую изучают в школе. Однако сам рабочий элемент — атом — все еще живет по загадочным законам квантовой физики.
Главный прорыв работы состоит в четком разграничении полезной энергии и тепловых потерь в выходящем потоке света. Вылетающие из резонатора фотоны не являются исключительно бесполезным теплом, как предполагали традиционные упрощенные подходы. Упорядоченная фаза и средняя амплитуда выходящего лазерного луча несут в себе полезную механическую работу, которую можно направить, например, на зарядку квантовой батареи. В то же время случайные случайные вспышки и световой шум — это и есть чистые потери тепла, которые увеличивают общую энтропию.
Этот новый подход ученых дает инженерам универсальную шпаргалку для расчета реального КПД наномашин и квантовых датчиков. Раньше при попытке улучшить такие микроустройства с помощью старых школьных законов физики ученые постоянно заходили в тупик. Теперь же новые формулы позволяют конструировать световые двигатели и сверхэффективные кубиты (детали квантового компьютера) с идеальной точностью. Это поможет защитить сложнейшие квантовые компьютеры от перегрева и сделает их работу стабильной.
Ключевые тезисы:
- Создана теоретическая модель открытой квантовой машины на основе одного атома и светового резонатора.
- Доказано, что выходящий из полости свет разделяется на полезную квантовую работу (амплитуда) и рассеянное тепло (флуктуации).
- Модель описывает как квантовые состояния, так и полуклассический предел физических систем.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
FAQ: Часто задаваемые вопросы
Что такое квантовый двигатель на основе света?
Это микроскопическая система из одного или нескольких атомов, взаимодействующих с фотонами внутри оптического резонатора. Устройство поглощает световую энергию лазера и превращает её часть в полезную квантовую работу, функционируя по аналогии с классическими тепловыми машинами.
В чем сложность применения обычной термодинамики к атомам?
В макромире тепло связано с хаотическим движением миллиардов частиц, а работа — с направленным перемещением поршня. На уровне единичных квантов частицы проявляют волновую природу, из-за чего различие между случайным тепловым шумом и полезным энергообменом стирается.
Где найдет применение это исследование?
Теоретическая база необходима для создания эффективных квантовых батарей, малошумных оптических датчиков и снижения тепловых потерь в процессорах квантовых компьютеров.
Источник: Janovitch M., Daniel A., Schrauwen M., Potts P. P. Quantum light engine links atom-photon thermodynamics to classical physics, Physical Review Letters, 2026
Читайте также: Пять минут непрерывного взрыва: двигатель-«огненное кольцо» от Astrobotic побил рекорд длительности работы