Une nouvelle version quantique d’une expérience de pensée classique pourrait ouvrir la voie à des moteurs thermiques quantiques.
Les chercheurs ont développé une nouvelle théorie quantique qui pourrait ouvrir la voie au développement de moteurs thermiques quantiques.
Des mathématiciens et des physiciens de l’Université de Nottingham ont appliqué cette nouvelle théorie au soi-disant paradoxe de Gibbs, qui implique le contraste entre le mélange de deux quantités de gaz parfaits de nature différente et le mélange de deux quantités du même gaz. Dans le cas de gaz différents, le mélange s’accompagne d’une augmentation de l’entropie, tandis que dans le cas des mêmes gaz, il n’y a pas de changement d’entropie.
Ce paradoxe a conduit à des informations cruciales pour le développement de la thermodynamique précoce et souligne la nécessité de considérer le degré de contrôle d’un expérimentateur sur un système. La thermodynamique examine comment l’énergie est échangée entre les corps à différentes températures et peut aider à prédire la probabilité de certaines réactions chimiques.
Dans cette dernière recherche, publiée dans Nature Communications, l’équipe a développé une théorie basée sur le mélange de deux gaz quantiques – par exemple, un rouge et un bleu, sinon identiques – qui commencent séparés puis se mélangent dans une boîte.
Dans l’ensemble, le système devient plus uniforme, ce qui est quantifié par une augmentation de l’entropie. Si l’observateur met ensuite des verres teintés violets et répète le processus, les gaz se ressemblent donc il semble que rien ne change. Dans ce cas, le changement d’entropie est nul.
Benjamin Yadin et Benjamin Morris, auteurs principaux de la recherche, ont déclaré: «Afin de résoudre le paradoxe, nous devons réaliser que la thermodynamique nous dit quelles choses utiles peuvent être faites par un expérimentateur doté d’appareils dotés de capacités spécifiques.»
Pour extraire de l’énergie utile du processus de mélange, les scientifiques ont besoin d’appareils capables de «voir» les différences entre les gaz, qui sont indiscernables à l’œil nu. La recherche montre que dans le cas quantique, bien qu’il soit incapable de faire la différence entre les gaz, l’expérimentateur dit «ignorant» peut encore extraire de l’énergie utile en les mélangeant.
À plus grande échelle, cette recherche suggère que les scientifiques capables de contrôler ces gaz avec un grand appareil quantique pourraient ouvrir la voie à de nouveaux moteurs thermiques quantiques.
Le professeur Gerardo Adesso de l’équipe de recherche a ajouté qu’il existe de nombreux aspects inconnus au cœur de la mécanique quantique. «Une telle ignorance fondamentale, cependant, ne nous empêche pas d’utiliser les fonctionnalités quantiques à bon escient, comme notre travail le révèle», a-t-il déclaré.
«Nous espérons que notre étude théorique pourra inspirer des développements passionnants dans le domaine en plein essor de la thermodynamique quantique et catalyser de nouveaux progrès dans la course en cours pour les technologies quantiques améliorées.
Auteur/autrice
