Les lois fondamentales régissant le flux de chaleur – en particulier le fait que la chaleur se déplace toujours des objets les plus chauds vers les objets les plus froids – pourraient nécessiter une révision au niveau quantique. De nouvelles recherches démontrent l’apparente inversion de ce principe à l’aide d’une molécule d’acide crotonique, obligeant potentiellement à réévaluer la deuxième loi de la thermodynamique.
Inversion du flux de chaleur quantique
Des chercheurs dirigés par Dawei Lu de l’Université des sciences et technologies du Sud en Chine ont manipulé les états quantiques des atomes de carbone au sein d’une molécule d’acide crotonique (un composé contenant du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène). Ces atomes fonctionnaient comme des qubits – les unités fondamentales de l’informatique quantique – et étaient contrôlés par un rayonnement électromagnétique. Au lieu que la chaleur circule des qubits les plus chauds vers les plus froids comme prévu, l’équipe a conçu un flux inverse, poussant la chaleur des qubits à basse température vers les plus chauds.
Ce résultat défie la thermodynamique classique, où un tel processus nécessiterait un apport d’énergie externe. Cependant, dans le domaine quantique, l’équipe a exploité une ressource appelée « cohérence » – une forme d’information quantique – pour alimenter efficacement ce transfert de chaleur vers l’arrière. Selon Lu, « en injectant et en contrôlant cette information quantique, nous pouvons inverser la direction du flux de chaleur. »
Le rôle de la température apparente
La violation apparente de la deuxième loi n’est pas nécessairement un défaut de la loi elle-même, mais plutôt une limitation de sa formulation traditionnelle. La deuxième loi a été établie au XIXe siècle, avant le développement de la physique quantique. Pour concilier cet écart, Lu et ses collègues ont calculé une « température apparente » pour chaque qubit. Cette température ajustée tient compte des propriétés quantiques telles que la cohérence, rétablissant la validité de la deuxième loi en assurant le flux de chaleur des températures apparentes les plus élevées vers les plus basses.
Ressources quantiques et thermodynamique
Roberto Serra, de l’Université fédérale ABC au Brésil, suggère que les propriétés quantiques telles que la cohérence devraient être considérées comme une ressource thermodynamique, de la même manière que la chaleur entraîne une machine à vapeur. La manipulation de ces ressources microscopiques permet des violations apparentes de la thermodynamique traditionnelle. “Mais les lois habituelles de la thermodynamique ont été développées en pensant que nous n’avions pas accès à ces états microscopiques. Ce n’est qu’une violation apparente car nous devons écrire de nouvelles lois en considérant que nous avons cet accès”, explique Serra.
Implications pour l’informatique quantique
L’équipe de recherche vise à traduire cette expérience d’inversion de chaleur en une méthode pratique de contrôle thermique des qubits. Cela a des implications significatives pour l’informatique quantique, où une gestion efficace de la chaleur est cruciale. Des stratégies de refroidissement améliorées pourraient améliorer la stabilité et les performances des qubits, et même éclairer le développement d’ordinateurs conventionnels, car la surchauffe reste une limitation fondamentale de tous les systèmes informatiques.
Cette recherche met en évidence l’interaction profonde entre l’information quantique et la thermodynamique, suggérant que notre compréhension du flux de chaleur doit évoluer pour s’adapter aux règles uniques régissant le monde quantique.
