新量子理论加热了热力学研究
研究人员已经开发出一个全新的量子版本的150年前的热力学思想实验，这可能为量子热机的发展铺平道路。
来自诺丁汉大学的数学家将新的量子理论应用于吉布斯悖论，并展示了经典和量子热力学之间信息和控制角色的根本差异。他们的研究今天在《自然通讯》杂志上发表。
经典的吉布斯悖论对早期热力学的发展产生了重要的启示，并强调了考虑实验者对系统的控制程度的必要性。
研究团队基于混合两种量子气体的理论，例如一种红色和一种蓝色，否则相同，它们开始是分开的，然后在一个盒子里混合。总体而言，系统变得更加均匀，这通过熵的增加来量化。如果观察者戴上紫色的眼镜并重复这个过程；气体看起来一样，因此似乎什么都没变。在这种情况下，熵的变化为零。
本文的主要作者本杰明·亚丁和本杰明·莫里斯解释说：“我们的发现似乎很奇怪，因为我们期望物理量，比如熵，具有与计算它们的人无关的含义。为了解决悖论，我们必须意识到热力学告诉我们那些实验者可以做到的有用的事情，他们拥有特定能力的设备。例如，一个加热膨胀的气体可以用来驱动引擎。为了从混合过程中提取工作（有用能量），你需要一个能够“看到”红色和蓝色气体之间差异的设备。
传统上，一个“无知”的实验者，认为气体是无法区分的，无法从混合过程中提取功。研究表明，在量子情况下，尽管无法区分气体之间的差异，但无知的实验者仍然可以通过混合它们来提取功。
考虑系统变得足够大时的情况，这时量子行为通常会消失，研究人员发现，尽管无知的量子观察者无法区分气体，但他们仍可以提取与能够区分气体一样多的功。用一个大型量子设备控制这些气体将与经典宏观热机完全不同。这种现象源于存在比经典情况下更多信息的特殊叠加态。
格拉多·阿德萨教授说：“尽管经过一个世纪的研究，我们对量子力学的内部仍有许多方面我们不知道或理解。然而，这种根本的无知并不妨碍我们利用量子特征，就像我们的工作所揭示的那样。我们希望我们的理论研究能够激发量子热力学这一新兴领域的激动人心的发展，并催生对量子增强技术不断进展的竞争。
“量子热机是我们日常加热器和冰箱的微观版本，它们可能仅由一个或几个原子实现（已经在实验证实），其性能可以通过真正的量子效应，如叠加态和纠缠来提升。目前，要在实验室中看到我们量子吉布斯悖论的表现，需要对系统参数进行精确控制，这可以在精细调节的“光学光栅”系统或玻色-爱因斯坦冷凝体中实现-我们目前正在与实验团队合作设计这种提案。”
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