Konkurrenz und Co

Stellen Sie sich eine große Pendeluhr vor, umgeben von mehreren kleinen, die in unterschiedlichen Rhythmen zu ticken beginnen. Wenn man den Uhrenpendeln erlaubt, ihren Rhythmus an den ihrer Nachbarn anzupassen, können sie sich mit der Zeit synchronisieren und im Einklang miteinander bewegen. Dieser Synchronisationsprozess beinhaltet zwei Rückkopplungsmechanismen: Interaktionen zwischen den identischen kleinen Uhren und die Interaktion jeder kleinen Uhr mit der großen, externen Uhr.

In der Quantenwelt sind diese Koexistenz – und die Auswirkungen von Quantenkorrelationen darauf – jedoch weitgehend unerforscht. Auch die möglichen thermodynamischen Vorteile der Synchronisation in Quantensystemen wurden kaum untersucht.

Forscher des Center for Theoretical Physics of Complex Systems am Institute for Basic Science, Korea, und des Indian Institute of Technology Bombay, Indien, haben sich kürzlich vorgenommen, diese Lücke zu schließen. Ihre Arbeit gibt Aufschluss darüber, wie die beiden Synchronisationsmechanismen – Interaktion zwischen Systemen und Interaktionen mit einer gemeinsamen externen Quelle – konkurrieren oder kooperieren, wenn sie thermodynamisches Verhalten in Quantenmaschinen zeigen.

In ihrer Studie, die sie in Physical Review Letters beschreiben, betrachten Taufiq Murtadho, Sai Vinjanampathy und Juzar Thingna eine Reihe gegenseitig interagierender Quantenthermomaschinen. Bei den Maschinen handelt es sich um mehrstufige Quantensysteme in Kontakt mit einem heißen und kalten Reservoir. Die aufgeregteste Ebene des Systems besteht aus mehreren identischen Teilen mit gegenseitiger Kopplung, analog zu den kleinen Uhren in der Metapher. Um das Verhalten der großen Uhr nachzuahmen – einer gemeinsamen externen Einheit, die die Systementwicklung verzögert – interagiert die Maschine auch mit einer externen Quelle. Je nach Betriebsmodus kann sich dieser Aufbau wie ein Motor verhalten, der Wärme vom heißen in den kalten Speicher pumpt, oder wie ein Kühlschrank, der das Gegenteil bewirkt.

Das Team zeigte zunächst, dass ein einfaches Vier-Ebenen-System, das mit einer externen Quelle interagiert, ausreicht, um das Zusammenspiel der Synchronisationsmechanismen und seinen Nutzen für Quantenwärmemaschinen zu untersuchen. Thingna und Kollegen untersuchten dann, was mit den vielen identischen Teilen in der Maschine aufgrund der beiden Synchronisationsmechanismen passiert, wenn sich der Aufbau wie ein Motor und wenn er sich wie ein Kühlschrank verhält.

Insbesondere fanden sie heraus, dass die Interaktion zwischen den einzelnen Teilen der Maschine eine symmetrische Konfiguration – alle Teile entsprechen den Rhythmen – und eine antisymmetrische Konfiguration – alle Teile entsprechen nicht den Rhythmen – erzeugen können. Im Gegensatz dazu zieht die externe Quelle die mehreren Teile immer in eine symmetrische Konfiguration.

Im Anschluss an diesen Thread stellten die Forscher fest, dass im Motorregime die beiden Mechanismen – gegenseitige Interaktion und externer Antrieb – gegensätzliche Zustandskonfigurationen begünstigen. Dies führt zu einer Konkurrenz zwischen den beiden Mechanismen. Im Kühlschrankregime bevorzugen jedoch beide Mechanismen die symmetrische Konfiguration und wirken daher zusammen.

Das Team ging dann noch einen Schritt weiter und zeigte, dass es im thermodynamischen Grenzfall, wenn die Anzahl mehrerer Einzelteile sehr groß ist, immer noch zu Konkurrenz und Kooperation zwischen den Mechanismen kommt. Mit zunehmender Skalierung des Systems wird jedoch die gegenseitige Kopplung zum dominierenden Mechanismus. Das Kooperationsregime bleibt davon unberührt, aber der Wettbewerb ist zwar immer noch vorhanden, verliert jedoch im Motorenregime an Bedeutung.

Neben der Aufdeckung des Zusammenspiels zwischen den Mechanismen beleuchten die Autoren auch, wie sich Synchronisation auf die thermodynamische Leistung von Quantenmaschinen auswirkt. In einem ergänzenden Artikel, der in Physical Review A veröffentlicht wurde, veranschaulichen die Autoren, wie Synchronisation die Menge an erzeugter verschwenderischer Wärme begrenzen kann. Für eine funktionierende Maschine, einen Motor oder einen Kühlschrank bedeutet dies über die bekannte Carnot-Obergrenze hinaus eine neuartige Untergrenze für die Effizienz.

Quantenmechanik und Thermodynamik können beide wahr sein, sagen Physiker

Laut Thingna und Vinjanampathy werden diese Ergebnisse direkte Auswirkungen auf den Aufbau von Quantentechnologien haben, bei denen externe Antriebe und gegenseitige Interaktionen wichtig sind. Sie fügen hinzu, dass das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Thermodynamik und verschiedenen Arten von Synchronisationsmechanismen in Quantensystemen für den Bau und die Konstruktion energieeffizienter Maschinen, die nach thermodynamischen Prinzipien arbeiten, von entscheidender Bedeutung sein wird. Sie kommen zu dem Schluss, dass diese Arbeit ein weiteres Teil zum Puzzle der verschiedenen Facetten von „Quanten“ in der Quantenthermodynamik hinzufügt.