Исследователи из Базельского университета рассмотрели классическую модель: атом помещен в оптический резонатор, между двумя зеркалами, где он может поглощать и испускать фотоны. Лазер постоянно подкачивает фотоны в резонатор, а через частично пропускающие зеркала свет выходит наружу. Это пример диссипативной системы — она непрерывно получает энергию и одновременно теряет ее в окружающую среду. Такой атом ведет себя как микроскопическая тепловая или, точнее, «световая» машина.

Раньше считалось, что вся энергия, которую атом переизлучает в виде фотонов, покидающих резонатор, — это отработанное тепло, которое без пользы уходит в окружающую среду. Однако недавнее исследование той же группы показало, что часть этой энергии все еще может быть использована для совершения работы над другой квантовой системой. Но как тогда разделить излучение на «тепло» и «полезную работу» в квантовом описании, и как это определение согласуется с классической термодинамикой?

В полуклассическом пределе — переходе от квантовой механики к классической физике — атом остается квантовым объектом (с дискретными уровнями энергии), а свет рассматривается как классическая электромагнитная волна. В этом случае, сообщает Phys, легко определить, какая часть энергии — работа, а какая — тепло. Важно, что при переходе от полного квантового описания к полуклассическому результаты должны быть согласованными.

Именно это ученые и смогли теперь продемонстрировать математически. Их подход, при котором часть испускаемого света рассматривается как работа, легко допускает переход к полуклассическому пределу.

Кроме того, расчеты точно предсказывают, что квантовые эффекты в такой системе приводят к уменьшению флуктуаций в потоке испускаемых фотонов. Обычно тепловые флуктуации — это помеха, которая мешает работе квантовых устройств. Но здесь они становятся управляемыми и могут быть использованы как ресурс. Снижение шума позволяет создавать особые состояния света, полезные для сверхточных измерений — их изучает квантовая метрология.

Американские физики разработали новый способ хранения информации в квантовых компьютерах, предложив использовать для этого механические колебания микроскопических структур. По мнению исследователей, технология может стать одним из ключевых элементов будущих масштабируемых квантовых вычислительных систем.