İstilik nəyi hesab edir və maşın yalnız bir atomdan və işıq hissəciklərindən hazırlandıqda faydalı iş nəyi hesab edir? Yeni yaranan kvant texnologiyalarında bu kimi suallar çox fərqli məqsədlər üçün hazırlanmış iki fizika sahəsini bir araya gətirir. İsveçrədəki Bazel Universitetinin tədqiqatçıları indi termodinamika və kvant fizikasının eyni şəraitdə ardıcıl işləməsini təmin etmək üçün hazırlanmış nəzəri bir çərçivə təqdim ediblər.

Termodinamika 19-cu əsrdə əsasən buxar mühərrikləri kimi böyük maşınların enerjini necə çevirdiyini və ötürdüyünü izah etmək üçün ortaya çıxmışdır. 20-ci əsrin əvvəllərində inkişaf etdirilən kvant fizikası bunun əvəzinə atomlara və subatom hissəciklərinə diqqət yetirir. Lakin bu gün bu iki sahə getdikcə daha çox üst-üstə düşür. Atomlardan və işıq hissəciklərindən (fotonlardan) qurulmuş kiçik sistemlər enerjini qəbul edə, çevirə və buraxa bilər ki, bu da onların mikroskopik kvant maşınları kimi fəaliyyət göstərməsinə imkan verir.

Əsas çətinliklərdən biri həm bütün sistem kvant mexaniki olaraq, həm də yarı-klassik limitdə işləndikdə qüvvədə qalan təsvir tapmaqdır. Sonuncu, sistemin bir hissəsinin kvant mexaniki olaraq işləndiyi, klassik fizikanın isə digər hissəsi üçün kifayət etdiyi məhdudlaşdırıcı haldır. Bazel Universitetinin professoru Patrik Potts qrupundakı tədqiqatçılar artıq belə bir yanaşmanı ” Fiziki İcmal Məktubları” nda təqdim ediblər .

Kiçik Kvant İşıq Mühərriki

Postdoktor Marselo Yanoviç deyir: “Hesablamalarımız iki güzgü arasındakı boşluğa yerləşdirilən və işıq hissəciklərini udub yaya bilən bir atomun konkret fiziki modelini nəzərdən keçirir. Bu qurğuda lazer fasiləsiz olaraq boşluğa əlavə fotonlar verir, bəzi işıq isə qismən əks etdirən güzgülərdən keçir.

Tədqiqatçı deyir ki, “bu, davamlı olaraq enerji alan və eyni zamanda ətraf mühitə itirən sözdə idarə olunan-dissipativ sistemin dərslik nümunəsidir”. Model fiziklərə açıq kvant sistemləri ilə bağlı fundamental sualları araşdırmaq üçün bir yol təqdim edir. Bu halda, atom miniatür istilik mühərriki, daha dəqiq desək, “yüngül mühərrik” kimi davranır.

Potts və əməkdaşları əvvəllər göstərmişdilər ki, boşluğu tərk edən fotonlar termodinamik təsvirdə avtomatik olaraq “tullantı istiliyi” kimi qəbul edilməməlidir. Həmin işıqla daşınan enerjinin bir hissəsi hələ də başqa bir kvant sistemində faydalı iş görmək üçün istifadə edilə bilər.

Onların son tədqiqatı, sistem yarı klassik həddə yaxınlaşdıqda istilik və faydalı enerji arasındakı bu fərqin nə ilə nəticələndiyini araşdırdı.

Faydalı Enerjini İstilikdən Ayırmaq

Yarıklassik limitdə boşluğun içindəki atom diskret enerji səviyyələrinə malik kvant sistemi kimi qəbul edilməyə davam edir. Lakin işıq klassik elektromaqnit dalğası kimi qəbul edilir, yəni onun kvant təsirləri nəzərə alınmaya bilər.

Yanoviç deyir ki, “İşığı klassik şəkildə araşdırmaq, enerjinin hansı hissəsinin iş görmək üçün istifadə edilə biləcəyini və hansı hissəsinin nizamsız istilik olduğunu müəyyən etməyi daha asanlaşdırır. Nəzəriyyənin ardıcıl olması üçün bu klassik məhdudlaşdırıcı davranış tam kvant termodinamik təsvirindən təbii olaraq ortaya çıxmalıdır.

Yanoviç və həmkarları indi riyazi olaraq bunun onların yanaşması ilə mümkün olduğunu sübut etdilər. Yayılan işığın bir hissəsi faydalı iş kimi təsnif edildikdə, nəzəriyyə yarı-klassik həddə hamar şəkildə keçir.

Ənənəvi yanaşma fərqli bir nəticə verir. Boşluqdan çıxan bütün enerji istilik kimi hesablanarsa, nəzəriyyə eyni ardıcıl keçidi təmin etmir.

Kvant Dalğalanmaları Bir Resursa çevrilir

Tədqiqatçılar həmçinin hesablamalarının kvant effektlərinin yayılan işıq hissəciklərindəki dalğalanmaları necə azalda biləcəyini düzgün təsvir etdiyini aşkar etdilər.

Bu azaldılmış dalğalanmalar kvant texnologiyaları üçün xüsusilə dəyərli ola bilər. İstilik tez-tez kvant sistemlərinin idarə olunmasını çətinləşdirən pozuntular yaradır, lakin düzgün şərtlərdə o, əvəzində faydalı bir mənbəyə çevrilə bilər.

Məsələn, bu təsir kvant metrologiyasında xüsusilə dəqiq ölçmələr üçün faydalı olan müəyyən işıq hallarının yaranmasına kömək edə bilər. Tapıntılar göstərir ki, istilik və faydalı iş arasındakı sərhədin daha yaxşı başa düşülməsi tədqiqatçılara əks halda itirilmiş kimi görünə biləcək enerjidən necə faydalanmağa kömək edə bilər.