Профессор Эндрю Бриггс, почётный профессор наноматериалов, задал мне вопрос за ланчем в колледже Святой Анны в Оксфорде: «Какой объединяющий принцип отличает квантовую термодинамику от классической?»
Я подходил к квантовой термодинамике с разных сторон. Я изучал выводы и графики, переходил от одной подтемы к другой, рассматривал дисциплину как пейзаж с высоты воздушного шара. Я даже подготовил список термодинамических задач, усиленных квантовыми явлениями: например, мы можем заряжать определённые батареи с большей мощностью, если мы их запутаем, а не просто соединим, запутанность может увеличить количество тепла, выкачиваемого из системы холодильником и так далее. Но вопрос Эндрю поставил меня в тупик.
Я дал неверный ответ. Я вытащил вышеупомянутый список, но в нём были примеры, а не объединяющий принцип.
На следующий день я сидел в офисе, который одолжил у экспериментатора Натальи Арес в Нью-колледже, готической постройке, основанной в конце 1300-х годов (как и следовало ожидать от британского колледжа под названием «Новый»).
Мой ответ начинается с поста в блоге, написанного в ответ на вопрос о квантовой термодинамике от преподавателя в другом уважаемом университете — Йорама Альхассида. Он спросил: «Чем квантовая термодинамика отличается от квантовой статистической механики?»
Основные выводы включают в себя операционный характер термодинамики. При использовании операциональной теории мы представляем себе агентов, которые выполняют задачи, используя заданные ресурсы. Например, термодинамический агент может привести в действие пароход, используя горячий газ и холодный газ. Мы вычисляем, насколько эффективно агенты могут выполнять эти задачи. Например, мы вычисляем эффективность тепловых двигателей.
Если термодинамический агент может получить доступ к квантовым ресурсам, я назову их «квантовыми термодинамическими». Если агент может получить доступ только к повседневным ресурсам, я назову их «классическими термодинамическими».
Квантовый термодинамический агент может получить доступ к большему количеству ресурсов, чем классический термодинамический агент. Последний может использовать работу (хорошо организованную энергию), свободную энергию (способность выполнять работу), информацию и многое другое. Квантовый агент может получить доступ не только к этим ресурсам, но и к запутанности (сильным корреляциям между квантовыми частицами), когерентности (волнообразным свойствам квантовых систем), сжатию (способности играть с квантовой неопределённостью, которую количественно определил Гейзенберг и другие) и многому другому.
Квантовый термодинамический агент может применять эти ресурсы, как описано в списке, который я перечислил перед Эндрю.
Однако квантовые явления могут препятствовать квантовому агенту в определённых сценариях, несмотря на то, что они помогают агенту в других. Например, когерентность может снизить мощность квантового двигателя. То же самое может сделать некоммутативность. Обычные числа коммутируют при умножении: 11 умножить на 12 равно 12 умножить на 11. Но в квантовой физике есть числа, которые так не коммутируют. Эта некоммутативность лежит в основе квантовой неопределённости, квантовой коррекции ошибок и многого другого, о чём я уже писал в блоге Quantum Frontiers.
Динамика квантового двигателя может включать некоммутативность (технически гамильтониан может содержать члены, которые не коммутируют друг с другом). Эта некоммутативность — довольно квантовое явление — может препятствовать работе двигателя подобно трению.
Кроме того, некоторые квантовые термодинамические агенты должны бороться с декогерентностью — утечкой квантовой информации из квантовой системы в окружающую среду. Это не беспокоит ни одного классического термодинамического агента.
Вкратце, квантовые термодинамические агенты могут использовать больше ресурсов, чем классические термодинамические агенты, но они также сталкиваются с большими угрозами. Этот принцип, возможно, не охватывает всё, чем квантовая термодинамика отличается от классической, но я думаю, что он суммирует многое из этого различия. И, по крайней мере, я могу сформулировать такой принцип. У меня не было достаточно опыта, когда я впервые написал пост в блоге об Оксфорде в 2013 году. Люди говорят, что Оксфорд никогда не меняется, но этот квантовый термодинамический агент меняется.