Klasyczne zasady w mikroskopowej skali
Termodynamika, której korzenie sięgają XIX wieku, znakomicie opisuje świat, który widzimy gołym okiem. Zasada zachowania energii czy nieubłagany wzrost entropii tłumaczą działanie każdej maszyny cieplnej. Problem zaczyna się, gdy zamiast cylindra z tłokiem mamy do czynienia z pojedynczym atomem uwięzionym w pułapce laserowej. W tej skali tradycyjny podział na użyteczną pracę i bezładne ciepło traci ostrość. Aaron Daniel z zespołu badawczego trafnie to ujął:
Problem z termodynamicznym opisem układów kwantowych polega na tym, że w takich systemach wszystko jest mikroskopijne. Oznacza to, że rozróżnienie między pracą, która jest użyteczną energią makroskopową, a ciepłem, czyli nieuporządkowanym ruchem mikroskopowym, nie jest już proste.
Czytaj też: Najgorętsze miejsce we wszechświecie… stworzone przez człowieka
W makroświecie pracę wykonujemy, podnosząc książkę na półkę. Ciepło to energia rozproszona w drganiach jej cząsteczek. Ale jak oddzielić jedno od drugiego, gdy cały nasz „system” to garść cząstek światła? To nie była abstrakcyjna zagwozdka, lecz realna przeszkoda w rozwoju inżynierii kwantowej.
Laserowe światło jako miara porządku
Rozwiązanie, opisane w Physical Review Letters, okazało się przydatne i oparte o konkretny eksperyment. Zespół Patricka Pottsa badał rezonatory wnękowe, w których atomy oddziałują ze światłem lasera. Kluczem okazała się własność tego światła zwana koherencją, czyli jego uporządkowanie. W skrócie: koherentne, zsynchronizowane fale świetlne mogą zbiorowo wzbudzać atomy w sposób uporządkowany. To właśnie ten uporządkowany proces naukowcy zdefiniowali jako pracę kwantową, czyli zdolność do „naładowania” teoretycznej baterii kwantowej. Max Schrauwen potwierdza, że to właśnie właściwości koherentnego światła w systemie laser-wnęka były punktem wyjścia dla ich modelu. W praktyce oznacza to, iż w promieniowaniu opuszczającym wnękę, część koherentna odpowiada za wykonanie pracy. Tylko ta niekoherentna, chaotyczna reszta traktowana jest jako ciepło. To rozróżnienie pozwala na sensowne zastosowanie praw termodynamiki nawet do najmniejszych układów, zachowując ich ducha.
Dokonane odkrycie ma bardzo praktyczny wymiar. Sieci kwantowe, o których tak dużo się mówi, wymagać będą niezwykłej precyzji w zarządzaniu energią na poziomie pojedynczych nośników informacji, jak fotony. Nowy formalizm daje teoretykom narzędzie do projektowania takich systemów. Z drugiej strony, jak przyznał Daniel, to dopiero początek drogi i teoria czeka na wykorzystanie w rozwiązywaniu bardziej złożonych problemów. Praca bazylejskich fizyków nie otwiera z dnia na dzień ery nowych urządzeń, a raczej porządkuje fundamenty, na których można będzie je budować. To krok w stronę odpowiedzi na jedno z najbardziej fundamentalnych pytań: gdzie dokładnie kończy się „dziwny” świat kwantowy, a zaczyna przewidywalna rzeczywistość, którą znamy?