Обратный нагрев показывает, что законы термодинамики, возможно, нуждаются в квантовом обновлении.

Мы привыкли к тому, что тепло перетекает от горячих объектов к холодным, и никогда наоборот, но теперь исследователи обнаружили, что этот трюк можно провернуть в странной области квантовой механики.

Забытая чашка кофе постепенно остынет, поскольку её тепло будет передаваться в более холодный окружающий воздух, но в квантовой механике, похоже, этот процесс можно перевернуть с ног на голову. В результате нам, возможно, потребуется обновить второй закон термодинамики — фундаментальный принцип физики, гласящий, что тепловая энергия всегда течёт от горячего к холодному.

Давэй Лу из Южного университета науки и технологий в Китае и его коллеги, по-видимому, нарушили этот закон с помощью молекулы кротоновой кислоты, содержащей атомы углерода, водорода и кислорода. Исследователи использовали ядра четырех атомов углерода в качестве кубитов, которые являются основными строительными блоками квантовых компьютеров и могут хранить квантовую информацию. При использовании в вычислениях исследователи обычно управляют квантовыми состояниями кубитов с помощью импульсов электромагнитного излучения, но в этом случае команда использовала этот контроль, чтобы заставить тепло перетекать от более холодного, низкотемпературного кубита к более горячему.

В нашем макроскопическом мире подобное никогда бы не произошло спонтанно, например, с чашкой кофе, поскольку для обратного потока потребовалась бы дополнительная энергия. Но в квантовой среде доступны другие формы топлива — в данном случае, форма квантовой информации, называемая «когерентностью». «Вводя и контролируя эту квантовую информацию, мы можем изменить направление теплового потока», — говорит Лу. «Мы были в восторге».

Тот факт, что законы термодинамики перестают действовать в квантовой области, пожалуй, неудивителен, поскольку они были сформулированы в XIX веке, примерно за 100 лет до формализации квантовой физики. Чтобы исправить эту проблему, Лу и его коллеги рассчитали «кажущуюся температуру» каждого кубита, которая представляет собой модификацию обычной температуры, учитывающую некоторые квантовые свойства объекта, такие как когерентность, и увидели, что второй закон термодинамики снова выполняется, и тепло перетекает от более высокой кажущейся температуры к более низкой.

Роберто Серра из Федерального университета ABC в Бразилии утверждает, что квантовые свойства, такие как когерентность, можно рассматривать как своего рода термодинамический ресурс, аналогичный, например, теплу, используемому для работы парового двигателя. Он говорит, что при манипулировании этими квантовыми, микроскопическими ресурсами законы термодинамики могут быть, по-видимому, нарушены. «Но обычные законы термодинамики были разработаны с учетом того, что у нас нет доступа к этим микроскопическим состояниям. Это всего лишь кажущееся нарушение, потому что нам приходится писать новые законы, учитывая, что у нас есть такой доступ», — говорит Серра.

По словам Лу, исследователи теперь хотят превратить свой эксперимент по обращению тепла в более практичный протокол для управления нагревом между кубитами. Помимо выявления фундаментальных связей между квантовой информацией и теплом, поиск новых практических способов охлаждения кубитов может улучшить квантовые компьютеры. Это может иметь большое значение для бурно развивающейся индустрии квантовых вычислений, поскольку, в конечном счете, даже обычные компьютеры могут работать настолько хорошо, насколько им удается избегать перегрева, говорит Серра.

Журнал Physical Review Letters DOI: 10.1103/sjvr-fdvh

Источник: www.newscientist.com