Miten kvanttifysiikka ja klassinen termodynamiikka saadaan sopimaan yhteen?

Tämä ei tarkoita, että fotoni olisi luonnostaan joko ”työtä” tai ”lämpöä”. Luokittelu riippuu siitä, mitä ulos tulevalle kentälle tehdään: heitetäänkö se peruuttamattomasti pois vai pidetäänkö se saatavilla olevana resurssina.

Näin klassinen raja palautuu

Puoliklassisessa rajassa kaviteetin kenttä muuttuu käytännössä ulkoapäin määrätyksi koherentiksi ajoksi. Se tuottaa järjestelmälle tehoa, mutta ei itsessään toimi entropiaa tuottavana lämpökylpynä.

Kun koherentti ulostulo kirjataan työksi, input–output-kehys lähestyy sujuvasti puoliklassista kuvausta. Se antaa samat ennusteet ulostuloteholle, aidosti dissipatiiviselle kaviteetin lämpövirralle ja entropian tuotannolle.

Samalla säilyy tunnettu kvanttimekaaninen ilmiö: koherenssi voi pienentää virtauksen vaihteluita niin paljon, että klassisen Markov-prosessin termodynaamisen epävarmuusrelaation raja ylittyy. Tutkijoiden mukaan tällaiset poikkeamat palautuvat puoliklassisessa rajassa vain silloin, kun osa fotonivirrasta tulkitaan hyötytehoksi.

Miksi kaikkien fotonien kutsuminen lämmöksi johtaa harhaan?

Perinteisessä kirjanpidossa koko ulos lähtevä fotonivirta sijoitetaan lämpövirtaan. Kun kenttä muuttuu yhä klassisemmaksi ja koherentimmaksi, tämä tapa alkaa kuitenkin liittää entropian tuotantoa lähes kohinattomaan, vaihekoherenttiin ajamiseen.

Virheellinen dissipatiivinen osuus ei katoa puoliklassisessa rajassa. Käytetyssä rajamenettelyssä se voi jopa kasvaa rajatta, jolloin standardikehys ei enää toista klassisen mallin entropian tuotantoa.

Koska koherentti energiansiirto jaetaan samalla väärin työn ja lämmön kesken, teoria voi ennustaa tehon etumerkin väärin: moottorimaista ulostuloa voidaan tulkita sisääntuloksi tai päinvastoin. Kyse ei ole energian säilymisen rikkomisesta vaan siitä, että energia kirjataan väärään sarakkeeseen.

Vähemmän kohinaa, tarkempia mittauksia

Kvanttikoherenssi voi vähentää valovirran vaihteluita klassisiin odotuksiin verrattuna. Vähäkohinainen valo on kiinnostavaa kvanttimetrologiassa, koska pienemmät vaihtelut voivat parantaa signaalin tai muun mitattavan parametrin arviointitarkkuutta rajallisen mittausajan aikana.

Termodynaaminen epävarmuusrelaatio yhdistää virran keskiarvon, sen tarkkuuden ja entropian tuotannon. Klassinen Markov-dynamiikka noudattaa tiettyä alarajaa, mutta kvanttikoherenssi voi kiertää tämän rajoituksen.

Tutkijat nostavat seuraaviksi kiinnostaviksi testialueiksi voimakkaan kytkennän järjestelmät, kuten fotonisaarron ja ajetut-dissipatiiviset faasimuutokset. Niissä syntyy voimakkaita epäklassisia korrelaatioita, epälineaarisia fotonitilastoja ja kriittisiä vaihteluita – juuri sellaisia ilmiöitä, joissa klassisia epävarmuusrajoja voidaan koetella erityisen tarkasti. Fotonisaarron murtumista on ehdotettu esimerkiksi ensimmäisen kertaluvun ajetusta dissipatiivisesta kvanttifaasimuutoksesta.

Nämä ovat kuitenkin tulevia tutkimussuuntia, eivät raportoidussa valo-moottorin laskelmassa jo osoitettuja uusia rikkomuksia.