אי-שוויונות תרמודינמיים בעולם קוונטי

תורת התרמודינמיקה מתארת את הדרכים השונות שבהן אנרגיה עוברת ממערכת אחת לשנייה. תרמודינמיקה היא אחת התיאוריות המדעיות החשובות ביותר, עם שימושים רבים בכימיה, פיזיקה, והנדסה. לדוגמא, החוק השני של התרמודינמיקה אומר שלמנועי חום ומכונות יש יעילות מקסימלית שלא ניתן לשפרה.
התקדמות הטכנולוגיה מקרבת אותנו לעולם שבו נוכל לתכנן ולבנות מכונות והתקנים המבוססים על תופעות קוונטיות כמו קוהרנטיות או שזירה קוונטית. ניתן לחקור מערכות כאלו על ידי פתרון מדויק של המשוואות שמתארות את תנועתן. מצד שני יש גם יתרונות רבים למציאת תיאור תרמודינמי להתקנים ותהליכים קוונטיים. הבעיה היא שכמה מההנחות שעומדות בבסיס התרמודינמיקה מופרות בתהליכים מיקרוסקופיים, היכן שתכונות קוונטיות נעשות חשובות. לדוגמא, לא תמיד ניתן להניח צימוד חלש בין מערכת לסביבתה, או שלא מתפתחת קוהרנטיות קוונטית בין חלקים נפרדים של מערכת.
במאמר שפורסם לאחרונה פיתחו רעם אוזדין וסער רהב מהפקולטה לכימיה ע"ש שוליך גישה תיאורטית שמאפשרת קבלה של אי-שוויונות תרמודינמיים עבור תהליכים קוונטים. במקרים שבהם במצב ההתחלתי מדובר במערכת המורכבת מכמה חלקים נפרדים הנמצאים בטמפרטורות שונות הגישה מובילה לחוק השני של התרמודינמיקה (בניסוח של קלאזיוס). אבל הגישה מאפשרת גם ליצור אי-שוויונות נוספים ועובדת גם עבור תהליכים יותר כלליים.
כדוגמא לשימוש בשיטה הראו המחברים איך לקבל חסם עליון וחסם תחתון לקורלציות הנוצרות בין מערכת קוונטית וסביבתה בתהליך. בנוסף הודגם שימוש בהפרת האי-שוויונות ככלי לגילוי זליגת חום במערכת שמבצעת פעולת חישוב קוונטית, או לגילוי התערבות חיצונית בתהליך. התיאוריה החדשה תוכל לסייע באנליזה של ניסיונות שבהם מבצעים תהליכים תרמודינמיים במערכות קוונטיות קטנות.
פרטים נוספים ניתן למצוא במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review X
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.021064

 

    

איור 1: גילוי זליגת חום במערכת שמבצעת פעולות CNOT קוונטיות. כמה מהאי-שוויונות שנמצאו מאפשרים את גילוי זליגת החום זמן רב לפני שניתן לגלותה בעזרת החוק השני של התרמודינמיקה.