I ricercatori hanno sviluppato una nuova versione quantistica di un esperimento mentale termodinamico vecchio di 150 anni che potrebbe aprire la strada allo sviluppo di motori termici quantistici.

I matematici dell'Università di Nottingham hanno applicato la nuova teoria quantistica al paradosso di Gibbs e hanno dimostrato una differenza fondamentale nei ruoli dell'informazione e del controllo tra la termodinamica classica e quella quantistica. La loro ricerca è stata pubblicata oggi in Comunicazioni sulla natura .

Il classico paradosso di Gibbs ha portato a intuizioni cruciali per lo sviluppo della prima termodinamica e sottolinea la necessità di considerare il grado di controllo di uno sperimentatore su un sistema.

Il team di ricerca ha sviluppato una teoria basata sulla miscelazione di due gas quantistici, ad esempio uno rosso e uno blu, altrimenti identici, che iniziano separati e poi si mescolano in una scatola. Globale, il sistema è diventato più uniforme, che è quantificato da un aumento di entropia. Se poi l'osservatore indossa occhiali colorati di viola e ripete il processo; i gas sembrano gli stessi, quindi sembra che non cambi nulla. In questo caso, la variazione di entropia è zero.

Gli autori principali del documento, Benjamin Yadin e Benjamin Morris, spiegano:"I nostri risultati sembrano strani perché ci aspettiamo che quantità fisiche come l'entropia abbiano un significato indipendente da chi le calcola. Per risolvere il paradosso, dobbiamo renderci conto che la termodinamica ci dice quali cose utili può essere fatto da uno sperimentatore che ha dispositivi con capacità specifiche. Per esempio, un gas in espansione riscaldato può essere utilizzato per azionare un motore. Per estrarre lavoro (energia utile) dal processo di miscelazione, hai bisogno di un dispositivo in grado di "vedere" la differenza tra i gas rossi e blu."

Classicamente, uno sperimentatore "ignorante", che vede i gas come indistinguibili, non può estrarre lavoro dal processo di miscelazione. La ricerca mostra che nel caso quantistico, pur non essendo in grado di distinguere la differenza tra i gas, lo sperimentatore ignorante può ancora estrarre lavoro mescolandoli.

Considerando la situazione in cui il sistema diventa grande, dove il comportamento quantistico normalmente scomparirebbe, i ricercatori hanno scoperto che l'osservatore quantistico ignorante può estrarre tanto lavoro quanto se fosse stato in grado di distinguere i gas. Il controllo di questi gas con un grande dispositivo quantistico si comporterebbe in modo completamente diverso da un classico motore termico macroscopico. Questo fenomeno deriva dall'esistenza di speciali stati di sovrapposizione che codificano più informazioni di quelle disponibili classicamente.

Il professor Gerardo Adesso ha dichiarato:“Nonostante un secolo di ricerche, ci sono così tanti aspetti che non conosciamo o non comprendiamo ancora nel cuore della meccanica quantistica. Una tale ignoranza fondamentale, però, non ci impedisce di mettere a frutto le caratteristiche quantistiche, come rivela il nostro lavoro. Speriamo che il nostro studio teorico possa ispirare sviluppi entusiasmanti nel fiorente campo della termodinamica quantistica e catalizzare ulteriori progressi nella corsa in corso per le tecnologie quantistiche potenziate.

"I motori termici quantistici sono versioni microscopiche dei nostri riscaldatori e frigoriferi di tutti i giorni, che possono essere realizzati con uno o pochi atomi (come già verificato sperimentalmente) e le cui prestazioni possono essere potenziate da veri e propri effetti quantistici come la sovrapposizione e l'entanglement. Attualmente, vedere il nostro paradosso quantistico di Gibbs in un laboratorio richiederebbe uno squisito controllo sui parametri del sistema, qualcosa che potrebbe essere possibile in sistemi di "reticolo ottico" perfezionati o condensati di Bose-Einstein:attualmente stiamo lavorando per progettare tali proposte in collaborazione con gruppi sperimentali".