Vědci z Univerzity v Basileji ve Švýcarsku vyvinuli teoretický přístup, který dokáže smířit dvě zdánlivě neslučitelné fyzikální teorie — termodynamiku a kvantovou fyziku. Výsledky, které vznikly ve skupině profesora Patricka Pottse, publikoval časopis Physical Review Letters. Tým vedený postdoktorandem Marcelem Janovitchem se zaměřil na model, v němž se stroj skládá pouze z jediného atomu a světelných částic. Výzkum ukazuje, jak lze kvantově-mechanický popis takového miniaturního „světelného stroje“ konzistentně převést do takzvané semiklasické limity, kde je jedna část systému popsána klasickou fyzikou.
- Přístup byl vyvinut na Univerzitě v Basileji ve skupině profesora Patricka Pottse.
- Model popisuje atom umístěný v dutině mezi dvěma zrcadly, který pohlcuje a vyzařuje světelné částice.
- Práce ukazuje, že část energie unikajícího světla lze počítat jako užitečnou práci, nikoli jen jako odpadní teplo.
- Výsledky vyšly v časopise Physical Review Letters.
Proč se pro středoevropského čtenáře výzkum ze Švýcarska počítá
Basilej patří mezi evropská centra kvantového výzkumu a témata, kterými se tamní fyzici zabývají, mají přesah do oboru kvantových technologií, na němž pracují laboratoře i v Česku a okolních zemích. Kvantová metrologie a přesná měření, jichž se práce dotýká, jsou přitom oblastí, do níž evropské výzkumné programy dlouhodobě investují.
Kde se potkává termodynamika 19. století s kvantovou fyzikou 20. století
Obě teorie vznikly za velmi odlišných okolností. Termodynamika byla vyvinuta v 19. století, aby vysvětlila princip fungování velkých parních strojů. Kvantová fyzika se na počátku 20. století zabývala vlastnostmi atomů a subatomárních částic. V moderních kvantových technologiích se však znovu setkávají: nepatrné systémy tvořené atomy a světelnými částicemi (fotony) dokážou také pohlcovat energii, přeměňovat ji a uvolňovat, a chovají se tak jako drobné kvantové stroje.
Výzva pro fyziky spočívá v tom najít popis, který funguje jak pro plně kvantově-mechanický systém, tak v semiklasické limitě. Tou se rozumí mezní případ, kdy je jedna část systému popsána kvantově, zatímco pro druhou postačí klasická fyzika.
Miniaturní tepelný stroj v dutině mezi dvěma zrcadly
„Naše výpočty se týkají konkrétního fyzikálního modelu atomu umístěného v dutině mezi dvěma zrcadly, kde může pohlcovat a vyzařovat světelné částice,“ vysvětluje Marcelo Janovitch. Laser do dutiny nepřetržitě dodává další fotony, zatímco světlo může skrz částečně odrazivá zrcadla unikat ven.
„Jde o učebnicový příklad takzvaného hnaného disipativního systému, který nepřetržitě přijímá energii a současně ji ztrácí do okolí,“ říká výzkumník.
V tomto kontextu se atom chová podobně jako drobný tepelný stroj — nebo, v tomto případě, „světelný stroj“. Potts a jeho spolupracovníci nedávno ukázali, že unikající světelné částice nelze v termodynamickém popisu obecně považovat za „odpadní teplo“. Část jejich energie totiž může být stále využita k vykonání užitečné práce na jiném kvantovém systému. V nové práci vědci zkoumali, jak toto rozlišení mezi teplem a užitečnou energií ovlivňuje semiklasickou limitu.
Klasický popis světla usnadňuje odlišení práce od tepla
V semiklasické limitě je atom v dutině nadále chápán jako kvantový systém s diskrétními energetickými hladinami, zatímco světlo je bráno jako klasická elektromagnetická vlna, u níž lze kvantové efekty zanedbat. „Klasické zacházení se světlem výrazně usnadňuje určení toho, kterou část energie lze využít k vykonání práce a která část je neuspořádané teplo,“ uvádí Janovitch. Podstatné je, že tento mezní případ by měl být konzistentně odvoditelný z kvantového termodynamického popisu.
A přesně to se autorům podařilo matematicky ukázat. Jejich přístup, v němž se část vyzářeného světla počítá jako práce, lze bez problémů převést do semiklasické limity. Naproti tomu to nefunguje u konvenční metody, která veškerou energii unikající z dutiny považuje za teplo.
Snížené fluktuace jako zdroj pro kvantové technologie
Výpočty rovněž správně předpovídají, jak kvantové efekty vedou ke snížení fluktuací světelných částic. Právě tyto snížené fluktuace jsou zajímavé pro využití v kvantových technologiích. Umožňují totiž využít teplo — které za běžných okolností vede k poruchám v kvantových systémech — jako zdroj pro konkrétní účely.
V praxi to znamená, že lze vytvořit určité stavy světla, které je možné použít pro obzvláště přesná měření v kvantové metrologii. Pro obor, který stojí na co nejpřesnějším měření, může být schopnost proměnit rušivý faktor v užitečný zdroj cenným směrem dalšího výzkumu.
Myslíte si, že spojení termodynamiky a kvantové fyziky posune vývoj přesných kvantových senzorů? Podělte se o svůj názor v diskusi.
