Die grundlegenden Gesetze, die den Wärmefluss regeln – insbesondere, dass Wärme immer von heißeren zu kälteren Objekten wandert – müssen möglicherweise auf Quantenebene überarbeitet werden. Neue Forschungsergebnisse belegen die scheinbare Umkehrung dieses Prinzips mithilfe eines Crotonsäuremoleküls, was möglicherweise eine Neubewertung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik erzwingt.
Quantenwärmeflussumkehr
Forscher unter der Leitung von Dawei Lu an der Southern University of Science and Technology in China manipulierten die Quantenzustände von Kohlenstoffatomen innerhalb eines Crotonsäuremoleküls (einer Verbindung, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält). Diese Atome fungierten als Qubits – die Grundeinheiten des Quantencomputings – und wurden mithilfe elektromagnetischer Strahlung gesteuert. Anstatt wie erwartet Wärme von wärmeren zu kälteren Qubits zu fließen, konstruierte das Team einen umgekehrten Fluss, der die Wärme von Qubits mit niedrigerer Temperatur zu heißeren Qubits drückt.
Dieses Ergebnis widerspricht der klassischen Thermodynamik, bei der ein solcher Prozess eine externe Energiezufuhr erfordern würde. Im Quantenbereich nutzte das Team jedoch eine Ressource namens „Kohärenz“ – eine Form der Quanteninformation –, um diese Rückwärtswärmeübertragung effektiv voranzutreiben. Laut Lu „können wir durch die Injektion und Steuerung dieser Quanteninformationen die Richtung des Wärmeflusses umkehren.“
Die Rolle der scheinbaren Temperatur
Der offensichtliche Verstoß gegen das zweite Gesetz ist nicht unbedingt ein Fehler im Gesetz selbst, sondern eher eine Einschränkung seiner traditionellen Formulierung. Das zweite Gesetz wurde im 19. Jahrhundert aufgestellt, also vor der Entwicklung der Quantenphysik. Um diese Diskrepanz auszugleichen, berechneten Lu und seine Kollegen eine „scheinbare Temperatur“ für jedes Qubit. Diese angepasste Temperatur berücksichtigt Quanteneigenschaften wie Kohärenz und stellt die Gültigkeit des zweiten Hauptsatzes wieder her, indem sie Wärmeflüsse von höheren zu niedrigeren scheinbaren Temperaturen gewährleistet.
Quantenressourcen und Thermodynamik
Roberto Serra von der Federal University of ABC in Brasilien schlägt vor, dass Quanteneigenschaften wie Kohärenz als thermodynamische Ressource betrachtet werden sollten, ähnlich wie Wärme eine Dampfmaschine antreibt. Die Manipulation dieser mikroskopischen Ressourcen ermöglicht offensichtliche Verstöße gegen die traditionelle Thermodynamik. „Aber die üblichen Gesetze der Thermodynamik wurden in der Annahme entwickelt, dass wir keinen Zugang zu diesen mikroskopischen Zuständen haben. Das ist nur ein offensichtlicher Verstoß, weil wir neue Gesetze schreiben müssen, wenn man bedenkt, dass wir diesen Zugang haben“, erklärt Serra.
Implikationen für Quantencomputing
Das Forschungsteam möchte dieses Wärmeumkehrexperiment in eine praktische Methode zur thermischen Kontrolle von Qubits umsetzen. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf das Quantencomputing, bei dem ein effizientes Wärmemanagement von entscheidender Bedeutung ist. Verbesserte Kühlstrategien könnten die Stabilität und Leistung von Qubits verbessern und sogar die Entwicklung herkömmlicher Computer beeinflussen, da Überhitzung nach wie vor eine grundlegende Einschränkung in allen Computersystemen darstellt.
Diese Forschung unterstreicht das tiefgreifende Zusammenspiel von Quanteninformation und Thermodynamik und legt nahe, dass sich unser Verständnis des Wärmeflusses weiterentwickeln muss, um den einzigartigen Regeln der Quantenwelt gerecht zu werden.
