Les chercheurs ont développé une nouvelle version quantique d'une expérience de pensée thermodynamique vieille de 150 ans qui pourrait ouvrir la voie au développement de moteurs thermiques quantiques.

Des mathématiciens de l'Université de Nottingham ont appliqué une nouvelle théorie quantique au paradoxe de Gibbs et démontré une différence fondamentale dans les rôles de l'information et du contrôle entre la thermodynamique classique et la thermodynamique quantique. Leurs recherches ont été publiées aujourd'hui dans Communication Nature .

Le paradoxe classique de Gibbs a conduit à des informations cruciales pour le développement de la thermodynamique précoce et souligne la nécessité de considérer le degré de contrôle d'un expérimentateur sur un système.

L'équipe de recherche a développé une théorie basée sur le mélange de deux gaz quantiques, par exemple, un rouge et un bleu, sinon identiques, qui commencent séparés puis se mélangent dans une boîte. Globalement, le système est devenu plus uniforme, qui est quantifié par une augmentation de l'entropie. Si l'observateur met alors des verres teintés de pourpre et répète le processus; les gaz se ressemblent, il semble donc que rien ne change. Dans ce cas, le changement d'entropie est nul.

Les principaux auteurs de l'article, Benjamin Yadin et Benjamin Morris, expliquer :"Nos résultats semblent étranges parce que nous nous attendons à ce que des quantités physiques telles que l'entropie aient une signification indépendante de celui qui les calcule. Afin de résoudre le paradoxe, nous devons réaliser que la thermodynamique nous dit quelles choses utiles peuvent être faites par un expérimentateur qui a des appareils avec des capacités spécifiques. Par exemple, un gaz d'expansion chauffé peut être utilisé pour entraîner un moteur. Afin d'extraire du travail (énergie utile) du processus de mélange, vous avez besoin d'un appareil capable de « voir » la différence entre les gaz rouges et bleus. »

Classiquement, un expérimentateur « ignorant », qui voit les gaz comme indiscernables, ne peut pas extraire le travail du processus de mélange. La recherche montre que dans le cas quantique, malgré l'incapacité de faire la différence entre les gaz, l'expérimentateur ignorant peut encore extraire le travail en les mélangeant.

Considérant la situation lorsque le système devient grand, où le comportement quantique disparaîtrait normalement, les chercheurs ont découvert que l'observateur ignorant quantique peut extraire autant de travail que s'il avait pu distinguer les gaz. Contrôler ces gaz avec un grand dispositif quantique se comporterait tout à fait différemment d'un moteur thermique macroscopique classique. Ce phénomène résulte de l'existence d'états de superposition spéciaux qui codent plus d'informations que celles disponibles classiquement.

Le professeur Gerardo Adesso a déclaré :« Malgré un siècle de recherche, il y a tellement d'aspects que nous ne connaissons pas ou que nous ne comprenons pas encore au cœur de la mécanique quantique. Une ignorance si fondamentale, cependant, ne nous empêche pas de faire bon usage des fonctionnalités quantiques, comme le révèle notre travail. Nous espérons que notre étude théorique pourra inspirer des développements passionnants dans le domaine en plein essor de la thermodynamique quantique et catalyser de nouveaux progrès dans la course en cours aux technologies quantiques améliorées.

« Les moteurs thermiques quantiques sont des versions microscopiques de nos radiateurs et réfrigérateurs de tous les jours, qui peut être réalisé avec un seul ou quelques atomes (comme déjà vérifié expérimentalement) et dont les performances peuvent être renforcées par de véritables effets quantiques tels que la superposition et l'intrication. Présentement, voir notre paradoxe de Gibbs quantique se dérouler dans un laboratoire nécessiterait un contrôle exquis sur les paramètres du système, quelque chose qui peut être possible dans des systèmes de "réseau optique" affinés ou des condensats de Bose-Einstein - nous travaillons actuellement pour concevoir de telles propositions en collaboration avec des groupes expérimentaux. "