Le leggi fondamentali che governano il flusso di calore – in particolare, che il calore si sposta sempre dagli oggetti più caldi a quelli più freddi – potrebbero richiedere una revisione a livello quantistico. Una nuova ricerca dimostra l’apparente inversione di questo principio utilizzando una molecola di acido crotonico, costringendo potenzialmente a una rivalutazione della seconda legge della termodinamica.
Inversione quantistica del flusso di calore
I ricercatori guidati da Dawei Lu presso la Southern University of Science and Technology in Cina hanno manipolato gli stati quantistici degli atomi di carbonio all’interno di una molecola di acido crotonico (un composto contenente carbonio, idrogeno e ossigeno). Questi atomi funzionavano come qubit, le unità fondamentali dell’informatica quantistica, ed erano controllati utilizzando la radiazione elettromagnetica. Invece del flusso di calore dai qubit più caldi a quelli più freddi come previsto, il team ha progettato un flusso inverso, spingendo il calore dai qubit a temperatura più bassa verso quelli più caldi.
Questo risultato sfida la termodinamica classica, dove un tale processo richiederebbe un input di energia esterna. Tuttavia, nel regno quantistico, il team ha sfruttato una risorsa chiamata “coerenza”, una forma di informazione quantistica, per alimentare in modo efficace questo trasferimento di calore all’indietro. Secondo Lu, “Inserendo e controllando queste informazioni quantistiche, possiamo invertire la direzione del flusso di calore”.
Il ruolo della temperatura apparente
L’apparente violazione della seconda legge non è necessariamente un difetto della legge stessa, ma piuttosto una limitazione della sua formulazione tradizionale. La seconda legge fu stabilita nel XIX secolo, prima dello sviluppo della fisica quantistica. Per conciliare questa discrepanza, Lu e i suoi colleghi hanno calcolato una “temperatura apparente” per ciascun qubit. Questa temperatura modificata tiene conto di proprietà quantistiche come la coerenza, ripristinando la validità della seconda legge garantendo flussi di calore dalle temperature apparenti più elevate a quelle più basse.
Risorse quantistiche e termodinamica
Roberto Serra dell’Università Federale dell’ABC in Brasile suggerisce che le proprietà quantistiche come la coerenza dovrebbero essere considerate una risorsa termodinamica, simile al modo in cui il calore aziona un motore a vapore. La manipolazione di queste risorse microscopiche consente evidenti violazioni della termodinamica tradizionale. “Ma le solite leggi della termodinamica sono state sviluppate pensando che non abbiamo accesso a questi stati microscopici. Questa è solo una violazione apparente perché dobbiamo scrivere nuove leggi considerando che abbiamo questo accesso”, spiega Serra.
Implicazioni per l’informatica quantistica
Il gruppo di ricerca mira a tradurre questo esperimento di inversione del calore in un metodo pratico per il controllo termico dei qubit. Ciò ha implicazioni significative per l’informatica quantistica, dove la gestione efficiente del calore è fondamentale. Strategie di raffreddamento migliorate potrebbero migliorare la stabilità e le prestazioni dei qubit e persino informare lo sviluppo di computer convenzionali, poiché il surriscaldamento rimane una limitazione fondamentale in tutti i sistemi informatici.
Questa ricerca evidenzia la profonda interazione tra informazione quantistica e termodinamica, suggerendo che la nostra comprensione del flusso di calore deve evolversi per adattarsi alle regole uniche che governano il mondo quantistico.
