De fundamentele wetten die de warmtestroom beheersen – in het bijzonder dat warmte altijd van hetere naar koudere objecten beweegt – vereisen mogelijk herziening op kwantumniveau. Nieuw onderzoek toont de schijnbare omkering van dit principe aan met behulp van een molecuul crotonzuur, wat mogelijk een herbeoordeling van de tweede wet van de thermodynamica dwingt.
Omkering van de kwantumwarmtestroom
Onderzoekers onder leiding van Dawei Lu van de Southern University of Science and Technology in China manipuleerden de kwantumtoestanden van koolstofatomen in een crotonzuurmolecuul (een verbinding die koolstof, waterstof en zuurstof bevat). Deze atomen functioneerden als qubits – de fundamentele eenheden van kwantumcomputers – en werden bestuurd met behulp van elektromagnetische straling. In plaats van dat de warmte zoals verwacht van warmere naar koelere qubits stroomt, heeft het team een omgekeerde stroom ontwikkeld, waarbij de warmte van qubits met lagere temperaturen naar warmere qubits wordt geduwd.
Deze uitkomst tart de klassieke thermodynamica, waar een dergelijk proces externe energie-input zou vereisen. In de kwantumwereld maakte het team echter gebruik van een hulpbron genaamd ‘coherentie’ – een vorm van kwantuminformatie – om deze achterwaartse warmteoverdracht effectief te voeden. Volgens Lu: “Door deze kwantuminformatie te injecteren en te controleren, kunnen we de richting van de warmtestroom omkeren.”
De rol van schijnbare temperatuur
De schijnbare schending van de tweede wet is niet noodzakelijkerwijs een fout in de wet zelf, maar eerder een beperking van de traditionele formulering ervan. De tweede wet werd in de 19e eeuw opgesteld, vóór de ontwikkeling van de kwantumfysica. Om deze discrepantie te verzoenen, berekenden Lu en zijn collega’s voor elke qubit een “schijnbare temperatuur”. Deze aangepaste temperatuur houdt rekening met kwantumeigenschappen zoals coherentie, waardoor de geldigheid van de tweede wet wordt hersteld door te zorgen voor warmtestromen van hogere naar lagere schijnbare temperaturen.
Kwantumbronnen en thermodynamica
Roberto Serra van de Federale Universiteit van ABC in Brazilië suggereert dat kwantumeigenschappen zoals coherentie moeten worden beschouwd als een thermodynamische hulpbron, vergelijkbaar met hoe warmte een stoommachine aandrijft. Het manipuleren van deze microscopische hulpbronnen zorgt voor schijnbare inbreuken op de traditionele thermodynamica. “Maar de gebruikelijke wetten van de thermodynamica zijn ontwikkeld in de veronderstelling dat we geen toegang hebben tot deze microscopische toestanden. Dit is slechts een schijnbare overtreding, omdat we nieuwe wetten moeten schrijven, aangezien we deze toegang wel hebben”, legt Serra uit.
Implicaties voor kwantumcomputers
Het onderzoeksteam wil dit warmte-omkeerexperiment vertalen naar een praktische methode voor thermische controle van qubits. Dit heeft aanzienlijke gevolgen voor kwantumcomputing, waarbij efficiënt warmtebeheer cruciaal is. Verbeterde koelingsstrategieën zouden de stabiliteit en prestaties van qubits kunnen verbeteren en zelfs de ontwikkeling van conventionele computers kunnen beïnvloeden, aangezien oververhitting een fundamentele beperking blijft in alle computersystemen.
Dit onderzoek benadrukt de diepgaande wisselwerking tussen kwantuminformatie en thermodynamica, wat suggereert dat ons begrip van warmtestroom moet evolueren om tegemoet te komen aan de unieke regels die de kwantumwereld beheersen.
