Basel-forskere bygger bro mellem kvantefysik og klassisk termodynamik med en “lysmotor”

Hvorfor den klassiske grænse er vigtig

I den såkaldte semiklassiske grænse behandles hulrumsfeltet som et på forhånd bestemt, koherent laserfelt. Det leverer effekt, men fungerer ikke i sig selv som et termisk bad, der skaber entropi.

Når den koherente del af det udgående lys krediteres som arbejde, nærmer den fuldt kvantiserede model sig glidende denne klassiske beskrivelse. Den giver de samme forudsigelser for den udgående effekt, den reelt dissipative varmestrøm i hulrummet og entropiproduktionen.

Det er centralt, fordi kvantekoherens kan undertrykke fluktuationerne i lysstrømmen så meget, at systemet overskrider den klassiske nedre grænse i den termodynamiske usikkerhedsrelation for Markov-processer. Sådanne afvigelser genskabes i den semiklassiske grænse, når en del af fotonstrømmen behandles som nyttig effekt.

Problemet med at tælle alle fotoner som varme

I den konventionelle tilgang regnes hele den udgående fotonstrøm som varme. Når lyset bliver mere klassisk og koherent, kommer denne metode derfor til at tilskrive entropiproduktion til et næsten støjfrit felt med en veldefineret fase.

Det ekstra bidrag forsvinder ikke i den semiklassiske grænse. Med den skalering, der bruges til at nå grænsen, kan det ligefrem vokse uden grænse. Dermed genskaber standardmetoden ikke den klassiske værdi for entropiproduktionen.

Fejlklassificeringen påvirker også energiregnskabet. Den kan få modellen til at forudsige en effekt med forkert fortegn – så en motorlignende effektudgang ser ud som energitilførsel, eller omvendt, sammenlignet med den klassiske beskrivelse. Det er et problem med bogføringen af varme og arbejde, ikke et brud på energiens bevarelse.

Mulig betydning for præcisionsmålinger

Lav-støj-lys er interessant inden for kvantemetrologi, hvor mindre fluktuationer kan gøre det muligt at bestemme et signal eller en fysisk parameter mere præcist ud fra en måling.

Den termodynamiske usikkerhedsrelation forbinder præcisionen af en strøm med dens middelværdi og den entropi, der produceres. Klassiske Markov-systemer følger en velkendt nedre grænse, mens kvantekoherens kan gøre det muligt at omgå denne grænse.

Forskerne peger derfor på stærkt koblede systemer som interessante næste testområder. Det gælder blandt andet photon blockade, hvor bestemte ikke-klassiske fotonkorrelationer opstår, og drevne dissipative faseovergange. Her kan ikke-lineær fotonstatistik og kritiske fluktuationer give særligt tydelige prøver af, hvor langt klassiske usikkerhedsgrænser rækker. Et sammenbrud af photon blockade er tidligere blevet foreslået som et eksempel på en førsteordens drevet-dissipativ kvantefaseovergang.

Det er dog fremtidige testmuligheder – ikke en påvist overtrædelse i den konkrete lysmotorberegning.