In einer bahnbrechenden Entdeckung haben Forscher der Nagoya University in Japan und der slowakischen Akademie der Wissenschaften neue Einblicke in das Zusammenspiel zwischen Quantentheorie und Thermodynamik enthüllt. Das Team hat gezeigt, dass die Quantentheorie zwar keine Verstöße gegen das zweite Gesetz der Thermodynamik verbietet, Quantenprozesse jedoch umgesetzt werden können, ohne das Gesetz tatsächlich zu verstoßen. Diese Entdeckung, veröffentlicht in NPJ Quanteninformationunterstreicht eine harmonische Koexistenz zwischen den beiden Feldern trotz ihrer logischen Unabhängigkeit. Ihre Ergebnisse eröffnen neue Wege zum Verständnis der thermodynamischen Grenzen von Quantentechnologien wie Quantum Computing und nanoskaligen Motoren.
Dieser Durchbruch trägt zur langjährigen Erforschung des zweiten Thermodynamik-Gesetzes bei, ein Prinzip, das oft als eine der tiefgreifendsten und rätselhaftesten in der Physik angesehen wird. Das zweite Gesetz behauptet, dass Entropie – ein Maß für die Störung in einem System – niemals spontan abnimmt. Es heißt auch, dass eine zyklisch operative Engine keine mechanische Arbeit erzeugen kann, indem er Wärme aus einer einzelnen thermischen Umgebung extrahiert und das Konzept eines unidirektionalen Zeitstroms unterstreicht.
Trotz seiner grundlegenden Rolle bleibt das zweite Gesetz eines der am meisten diskutierten und missverstandenen Prinzipien der Wissenschaft. Zentral für diese Debatte steht das Paradox von „Maxwells Dämon“, einem Gedankenexperiment, das der Physiker James Clerk Maxwell 1867 vorgeschlagen hat.
Maxwell stellte sich ein hypothetisches Wesen vor – den Dämon – in der Lage, schnelle und langsame Moleküle in einem Gas im thermischen Gleichgewicht zu sortieren, ohne Energie zu verbrauchen. Durch die Trennung dieser Moleküle in verschiedene Regionen könnte der Dämon einen Temperaturunterschied erzeugen. Wenn das System in das Gleichgewicht zurückkehrt, wird mechanische Arbeiten extrahiert und trotzt dem zweiten Gesetz der Thermodynamik anscheinend.
Das Paradox ist seit über einem Jahrhundert Physiker fasziniert und wirft Fragen zur Universalität des Gesetzes auf und ob es vom Wissen und der Fähigkeiten des Beobachters abhängt. Lösungen für das Paradox haben sich weitgehend auf die Behandlung des Dämons als physisches System konzentriert, das thermodynamischen Gesetzen unterliegt. Eine vorgeschlagene Lösung löscht den Gedächtnis des Dämons, der eine Ausgaben für mechanische Arbeiten erfordern und die Verletzung des zweiten Gesetzes effektiv ausgleichen würde.
Um dieses Phänomen weiter zu untersuchen, entwickelten die Forscher ein mathematisches Modell für eine „dämonische Engine“, ein System, das von Maxwells Dämon betrieben wird. Ihr Ansatz basiert in der Theorie der Quanteninstrumente, einem Rahmen, das in den 1970er und 1980er Jahren eingeführt wurde, um die allgemeinsten Formen der Quantenmessung zu beschreiben.
Das Modell umfasst drei Schritte: Der Dämon misst ein Zielsystem, extrahiert dann die Arbeit, indem er es mit einer thermischen Umgebung gekoppelt hat, und löscht schließlich seinen Gedächtnis, indem er mit derselben Umgebung interagiert.
Unter Verwendung dieses Rahmens leitete das Team genaue Gleichungen für die vom Dämon ausgeübten Arbeit und die von ihm extrahierenden Arbeiten ab, die in Bezug auf Quanteninformationsmaßnahmen wie von Neumann-Entropie und Groenewold-Ozawa-Informationsgewinn ausgedrückt werden. Beim Vergleich dieser Gleichungen erzielten sie ein überraschendes Ergebnis.
„Unsere Ergebnisse zeigten, dass unter bestimmten Bedingungen, die durch die Quantentheorie zulässig sind, auch nach Berücksichtigung aller Kosten die extrahierten Arbeiten über die aufgewendeten Arbeiten überschreiten können und anscheinend gegen das zweite Gesetz der Thermodynamik verstoßen“, erklärte Shintaro Minagawa, ein leitender Forscher des Projekts. „Diese Offenbarung war ebenso aufregend wie unerwartet, was die Annahme in Frage stellte, dass die Quantentheorie von Natur aus ‚dämonisch“ ist. Es gibt versteckte Ecken im Rahmen, in dem Maxwells Dämon immer noch seine Magie bearbeiten könnte. „
Trotz dieser Lücken betonen die Forscher, dass sie keine Bedrohung für das zweite Gesetz darstellen. „Unsere Arbeit zeigt, dass es trotz dieser theoretischen Schwachstellen möglich ist, einen Quantenprozess so zu gestalten, dass es dem zweiten Gesetz entspricht“, sagte Hamed Mohammady. „Mit anderen Worten, die Quantentheorie könnte möglicherweise das zweite Gesetz der Thermodynamik brechen, aber sie muss eigentlich nicht. Dies schafft eine bemerkenswerte Harmonie zwischen Quantenmechanik und Thermodynamik: Sie bleiben unabhängig, aber nie grundlegend im Widerspruch.“
Diese Entdeckung legt auch nahe, dass das zweite Gesetz keine strengen Einschränkungen für Quantenmessungen auferlegt. Jeder von der Quantentheorie erlaubte Prozess kann ohne Verstoß gegen thermodynamische Prinzipien implementiert werden. Durch die Verfeinerung unseres Verständnisses dieses Zusammenspiels wollen die Forscher neue Möglichkeiten für Quantentechnologien freischalten und gleichzeitig die zeitlosen Prinzipien der Thermodynamik aufrechterhalten.
„Eine Sache, die wir in diesem Artikel zeigen, ist, dass die Quantentheorie wirklich logisch unabhängig vom zweiten Gesetz der Thermodynamik ist. „Und doch kann – und dies ist genauso bemerkenswert – jeder Quantenprozess kann realisiert werden, ohne gegen das zweite Gesetz der Thermodynamik zu verstoßen. Dies kann durch Hinzufügen weiterer Systeme durchgeführt werden, bis das thermodynamische Gleichgewicht wiederhergestellt ist.“ Die Auswirkungen dieser Studie gehen über die theoretische Physik hinaus. Die Beleuchtung der thermodynamischen Grenzen von Quantensystemen bildet eine Grundlage für Innovationen in Quantum Computing und nanoskaligen Motoren. Während wir den Quantenbereich untersuchen, erinnert diese Forschung an das empfindliche Gleichgewicht zwischen den grundlegenden Naturgesetzen und dem Potenzial für bahnbrechende technologische Fortschritte.
