Hukum dasar yang mengatur aliran panas—khususnya, bahwa panas selalu berpindah dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin—mungkin memerlukan revisi pada tingkat kuantum. Penelitian baru menunjukkan pembalikan prinsip ini dengan menggunakan molekul asam crotonic, yang berpotensi memaksa penilaian ulang hukum kedua termodinamika.
Pembalikan Aliran Panas Kuantum
Para peneliti yang dipimpin oleh Dawei Lu di Universitas Sains dan Teknologi Selatan di Tiongkok memanipulasi keadaan kuantum atom karbon dalam molekul asam crotonic (senyawa yang mengandung karbon, hidrogen, dan oksigen). Atom-atom ini berfungsi sebagai qubit—unit dasar komputasi kuantum—dan dikendalikan menggunakan radiasi elektromagnetik. Alih-alih mengalirkan panas dari qubit yang lebih hangat ke qubit yang lebih dingin seperti yang diharapkan, tim merancang aliran balik, mendorong panas dari qubit bersuhu lebih rendah ke qubit yang lebih panas.
Hasil ini bertentangan dengan termodinamika klasik, di mana proses seperti itu memerlukan masukan energi eksternal. Namun, di dunia kuantum, tim memanfaatkan sumber daya yang disebut “koherensi”—suatu bentuk informasi kuantum—untuk secara efektif mendorong perpindahan panas mundur ini. Menurut Lu, “Dengan memasukkan dan mengendalikan informasi kuantum ini, kita dapat membalikkan arah aliran panas.”
Peran Suhu Semu
Pelanggaran yang nyata terhadap undang-undang kedua belum tentu merupakan cacat dalam undang-undang itu sendiri, namun lebih merupakan keterbatasan dari rumusan tradisionalnya. Hukum kedua ditetapkan pada abad ke-19, sebelum perkembangan fisika kuantum. Untuk mengatasi perbedaan ini, Lu dan rekan-rekannya menghitung “suhu nyata” untuk setiap qubit. Suhu yang disesuaikan ini menjelaskan sifat-sifat kuantum seperti koherensi, memulihkan validitas hukum kedua dengan memastikan aliran panas dari suhu nyata yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah.
Sumber Daya Kuantum dan Termodinamika
Roberto Serra di Universitas Federal ABC di Brazil berpendapat bahwa sifat kuantum seperti koherensi harus dianggap sebagai sumber daya termodinamika, mirip dengan bagaimana panas menggerakkan mesin uap. Memanipulasi sumber daya mikroskopis ini memungkinkan terjadinya pelanggaran termodinamika tradisional. “Tetapi hukum termodinamika yang umum dikembangkan dengan pemikiran bahwa kita tidak memiliki akses terhadap keadaan mikroskopis ini. Ini hanyalah sebuah pelanggaran nyata karena kita harus membuat undang-undang baru mengingat kita memiliki akses ini,” jelas Serra.
Implikasi pada Komputasi Kuantum
Tim peneliti bertujuan untuk menerjemahkan eksperimen pembalikan panas ini menjadi metode praktis untuk kontrol termal qubit. Hal ini mempunyai implikasi yang signifikan terhadap komputasi kuantum, dimana pengelolaan panas yang efisien sangatlah penting. Strategi pendinginan yang lebih baik dapat meningkatkan stabilitas dan kinerja qubit, dan bahkan menginformasikan perkembangan komputer konvensional, karena panas berlebih masih menjadi batasan mendasar dalam semua sistem komputasi.
Penelitian ini menyoroti interaksi mendalam antara informasi kuantum dan termodinamika, yang menunjukkan bahwa pemahaman kita tentang aliran panas harus berkembang untuk mengakomodasi aturan unik yang mengatur dunia kuantum.
