Что считать теплом, а что полезной работой, если «двигатель» состоит всего из одного атома и света? Физики из Базельского университета предложили математический способ ответить на вопрос, который становится всё актуальнее по мере развития квантовых технологий. Новая модель показывает, как описание квантовой тепловой машины должно переходить к привычной классической физике и почему часть покидающих систему фотонов нельзя просто записывать в потери.
Исследователи рассмотрели один из классических примеров квантовой электродинамики. Атом находится внутри оптической полости между двумя зеркалами, лазер постоянно подаёт туда энергию в виде фотонов, а часть света покидает полость через частично прозрачные зеркала. Такая система непрерывно получает и теряет энергию, поэтому атом можно рассматривать как крошечную тепловую машину, которая преобразует поступающую энергию и отдаёт её наружу. Речь идёт о теоретической модели, а не о созданном экспериментальном двигателе.
Главная проблема возникает при попытке разделить выходящую энергию на тепло и полезную работу. В традиционном подходе весь поток фотонов, покидающих полость, можно считать теплом, то есть беспорядочно рассеиваемой энергией. Авторы показывают, что подобная трактовка теряет часть физического смысла. Некоторые фотоны сохраняют достаточно упорядоченности, чтобы их энергию можно было использовать для работы над другой квантовой системой.
Проверкой для новой модели стал так называемый полуклассический предел. Физики оставили атом квантовым объектом с дискретными энергетическими уровнями, а свет описали уже как обычную электромагнитную волну без квантовых свойств. Корректная квантовая теория должна при таком переходе давать результаты, совместимые с классическим описанием.
Расчёты показали, что согласованного перехода удаётся добиться, если считать часть выходящего света источником полезной мощности. Модель, в которой вся уходящая энергия записывается в тепло, такого соответствия не даёт. Авторы также получили правильное описание флуктуаций светового потока и показали, как квантовые эффекты способны уменьшать разброс числа выходящих фотонов.
Сниженные флуктуации представляют практический интерес. В квантовых приборах случайные колебания обычно мешают измерениям, однако при определённых условиях энергия, связанная с тепловыми процессами, помогает сформировать более упорядоченные состояния света. Подобные состояния потенциально пригодятся в квантовой метрологии, где требуется измерять физические величины с предельно высокой точностью.
Работа Марсело Яновича, Сандера Штаммбаха, Маттео Брунелли и Патрика Поттса опубликована в Physical Review Letters. Авторы не предлагают новый источник бесплатной энергии и не отменяют законы термодинамики. Исследование решает более фундаментальную задачу: показывает, где проходит граница между теплом и полезной работой, когда сама машина становится настолько маленькой, что её поведение уже определяет квантовая механика.