Základní zákony, kterými se řídí přenos tepla – zejména skutečnost, že teplo se vždy pohybuje od teplejších k chladnějším objektům – bude možná nutné přehodnotit na kvantové úrovni. Nová studie demonstruje zjevnou inverzi tohoto principu pomocí molekuly kyseliny krotonové, což potenciálně nutí přehodnotit druhý zákon termodynamiky.
Reverzní kvantový tepelný tok
Výzkumný tým vedený Dawei Lu z Southern University of Science and Technology of China manipuloval s kvantovými stavy atomů uhlíku uvnitř molekuly kyseliny krotonové (sloučenina obsahující uhlík, vodík a kyslík). Tyto atomy fungovaly jako qubity – základní jednotky kvantového počítání – a byly řízeny pomocí elektromagnetického záření. Namísto toho, aby teplo proudilo z teplejších do chladnějších qubitů, jak se očekávalo, tým navrhl zpětný tok, který posílá teplo z chladnějších do teplejších qubitů.
Tento výsledek je v rozporu s klasickou termodynamikou, kde by takový proces vyžadoval externí dodávku energie. V kvantovém poli však tým použil zdroj nazvaný „koherence“ – forma kvantové informace – k účinnému umožnění tohoto zpětného přenosu tepla. Podle Lu: “Zavedením a řízením těchto kvantových informací můžeme změnit směr tepelného toku.”
Role zdánlivé teploty
Zjevné porušení druhého zákona nemusí být nutně vadou samotného zákona, ale spíše omezením jeho tradiční formulace. Druhý zákon byl stanoven v 19. století, před rozvojem kvantové fyziky. Aby Lu a jeho kolegové vyrovnali tento rozpor, vypočítali „zdánlivou teplotu“ pro každý qubit. Tato upravená teplota bere v úvahu kvantové vlastnosti, jako je koherence, a obnovuje platnost druhého zákona tím, že zajišťuje, že teplo proudí z vyšších do nižších zdánlivých teplot.
Kvantové zdroje a termodynamika
Roberto Serra z Federální univerzity ABC v Brazílii navrhuje, že kvantové vlastnosti, jako je koherence, by měly být považovány za termodynamický zdroj, podobně jako teplo pohání parní stroj. Manipulací s těmito mikroskopickými zdroji je možné dosáhnout zjevného porušení tradiční termodynamiky. “Ale běžné zákony termodynamiky byly vyvinuty s ohledem na skutečnost, že nemáme přístup k těmto mikroskopickým stavům. Je to jen domnělé porušení, protože musíme napsat nové zákony, které tento přístup berou v úvahu,” vysvětluje Serra.
Důsledky pro kvantové výpočty
Výzkumný tým si klade za cíl převést tento experiment s reverzním tepelným tokem do praktické metody sledování tepelného stavu qubitů. To má významné důsledky pro kvantové výpočty, kde je efektivní řízení tepla rozhodující. Vylepšené strategie chlazení by mohly zlepšit stabilitu a výkon qubitů a dokonce ovlivnit design konvenčních počítačů, protože přehřívání zůstává základním omezením ve všech počítačových systémech.
Tento výzkum zdůrazňuje hluboký vztah mezi kvantovou informací a termodynamikou, což naznačuje, že naše chápání přenosu tepla se musí vyvinout, aby se přizpůsobilo jedinečným pravidlům, kterými se řídí kvantový svět.
