Baselfysiker löser termodynamisk gåta i en kvantmekanisk ljusmotor

Fysiker vid universitetet i Basel, under ledning av professor Patrick Potts och med postdoktor Marcelo Janovitch bland forskarna, har använt input–output-teori för att reda ut en central fråga i kvanttermodynamiken: vad händer med energin när ljus lämnar ett kvantsystem?

Deras teoretiska analys av en laserdriven kavitet visar att svaret beror på om det utgående ljuset betraktas som en resurs som kan återanvändas – eller som något som förloras irreversibelt. Med den senare tolkningen uppstår en konflikt med den klassiska fysiken när systemet närmar sig den halvklassiska gränsen. Med input–output-beskrivningen försvinner konflikten.

En ljusmotor i miniatyr

Modellen är en så kallad cavity-QED-motor: en laser driver en optisk kavitet som innehåller en atom, och ljus strömmar ut genom kavitetens speglar. Cavity QED, eller kvantelektrodynamik i en kavitet, beskriver hur ljus och materia växelverkar i ett begränsat utrymme.

Det utgående ljuset kan delas upp i två delar:

• Koherent strålning har en väldefinierad fas. Den kan i princip användas för att driva eller ladda ett annat system och fungerar därför som en användbar energiström – arbete eller uteffekt – snarare än som spillvärme.
• Inkoherenta fluktuationer består av mer oordnade variationer i ljusfältet. De kan inte på samma reversibla sätt tas till vara och räknas därför som värme och som en källa till entropiproduktion.

Det betyder inte att en foton i sig alltid är antingen ”arbete” eller ”värme”. Skillnaden handlar om hur ljuset hanteras fysiskt: om det kastas bort utan möjlighet till återanvändning, eller om det fortfarande är tillgängligt som en energiresurs.

Därför fungerar input–output-teorin

I den halvklassiska gränsen behandlas kavitetens ljusfält i praktiken som en externt styrd, koherent drivning. Det tillför effekt, men fungerar inte som ett termiskt bad som i sig producerar entropi.

När den koherenta delen av det utgående ljuset bokförs som arbete återfår modellen den termodynamik som förväntas i den klassiska beskrivningen. Den ger då rätt resultat för uteffekten, den verkligt dissipativa värmeströmmen i kaviteten och entropiproduktionen.

Samma beskrivning återger också ett viktigt kvantfenomen: kvantkoherens kan minska fluktuationerna i ljusströmmen så mycket att den klassiska gränsen i den termodynamiska osäkerhetsrelationen överskrids. Dessa avvikelser återkommer i den halvklassiska gränsen endast när en del av fotonflödet behandlas som användbar effekt.

Problemet med att kalla alla fotoner värme

I den konventionella bokföringen placeras hela det utgående fotonflödet i värmeströmmen. När ljusfältet blir allt mer klassiskt och koherent innebär det att modellen tillskriver en i princip brusfri, fasbestämd drivning en entropiproduktion som inte borde finnas.

Denna extra dissipativa term försvinner inte i den halvklassiska gränsen. Med den skalning som används för att nå gränsen kan den i stället växa utan gräns. Därför lyckas den konventionella metoden inte återskapa den klassiska entropiproduktionen.

Den felaktiga uppdelningen mellan värme och arbete kan dessutom få modellen att ange fel tecken på effekten – alltså beskriva en motordrivande uteffekt som en ineffekt, eller tvärtom, jämfört med den halvklassiska bilden. Det är ett problem med energibokföringen, inte ett brott mot energins bevarande.

Betydelse för precisionsmätningar

Resultatet är intressant även utanför den grundläggande termodynamiken. Kvantkoherens kan pressa ned fluktuationerna i en ljusström under vad som normalt förväntas klassiskt. Sådant ljus kan vara värdefullt inom kvantmetrologi, där lägre brus gör det möjligt att uppskatta en signal eller en fysisk parameter mer exakt från en begränsad mätning.

Den termodynamiska osäkerhetsrelationen kopplar samman precisionen hos en ström, dess medelvärde och den entropi som produceras. Klassiska Markovprocesser följer en etablerad undre gräns, medan kvantkoherens kan göra det möjligt att kringgå den.

Nästa steg: stark koppling och fotonblockad

Forskarna pekar på starkt kopplade system som särskilt intressanta för framtida tester. Två exempel är fotonblockad och drivna dissipativa fasövergångar. Sådana system kan ge tydliga ickeklassiska korrelationer, icke-linjära fotonstatistiska egenskaper och kraftiga kritiska fluktuationer – just de förhållanden där klassiska osäkerhetsgränser kan utmanas eller prövas skarpt.

Ett föreslaget exempel är när fotonblockaden bryter samman i en kontinuerligt driven cavity-QED-anordning. Detta har kopplats till en första ordningens driven dissipativ kvantfasövergång.

Det rör sig ännu om föreslagna framtida testområden, inte om redan påvisade överträdelser i den ljusmotorberäkning som rapporteras här.