Podstawowe prawa regulujące wymianę ciepła – w szczególności fakt, że ciepło zawsze przemieszcza się z obiektów gorętszych do chłodniejszych – może wymagać ponownego przemyślenia na poziomie kwantowym. Nowe badanie pokazuje oczywistą odwrotność tej zasady przy użyciu cząsteczki kwasu krotonowego, potencjalnie wymuszając ponowne przemyślenie drugiej zasady termodynamiki.
Odwrócony kwantowy strumień ciepła
Zespół badawczy kierowany przez Dawei Lu z Południowego Uniwersytetu Nauki i Technologii w Chinach manipulował stanami kwantowymi atomów węgla wewnątrz cząsteczki kwasu krotonowego (związku zawierającego węgiel, wodór i tlen). Atomy te funkcjonowały jako kubity – podstawowe jednostki obliczeń kwantowych – i były kontrolowane za pomocą promieniowania elektromagnetycznego. Zamiast zgodnie z oczekiwaniami, ciepło przepływało od cieplejszych do chłodniejszych kubitów, zespół zaprojektował przepływ wsteczny, przesyłając ciepło z chłodniejszych do gorętszych kubitów.
Wynik ten jest sprzeczny z klasyczną termodynamiką, gdzie taki proces wymagałby zewnętrznego dostarczenia energii. Jednak w dziedzinie kwantowej zespół wykorzystał zasób zwany „koherencją” – formę informacji kwantowej – aby skutecznie umożliwić odwrotne przekazywanie ciepła. Według Lu: „Wprowadzając i kontrolując tę informację kwantową, możemy zmienić kierunek przepływu ciepła”.
Rola temperatury pozornej
Oczywiste naruszenie drugiego prawa nie musi oznaczać wady samego prawa, lecz raczej ograniczenie jego tradycyjnego sformułowania. Drugie prawo powstało w XIX wieku, przed rozwojem fizyki kwantowej. Aby pogodzić tę rozbieżność, Lu i jego współpracownicy obliczyli „temperaturę pozorną” dla każdego kubitu. Ta skorygowana temperatura uwzględnia właściwości kwantowe, takie jak spójność, przywracając ważność drugiego prawa, zapewniając przepływ ciepła z wyższych do niższych temperatur pozornych.
Zasoby kwantowe i termodynamika
Roberto Serra z Federalnego Uniwersytetu ABC w Brazylii sugeruje, że właściwości kwantowe, takie jak spójność, należy uznać za zasób termodynamiczny, podobny do tego, w jaki sposób ciepło napędza silnik parowy. Manipulując tymi mikroskopijnymi zasobami, można osiągnąć widoczne naruszenia tradycyjnej termodynamiki. “Ale zwykłe prawa termodynamiki zostały opracowane z uwzględnieniem faktu, że nie mamy dostępu do tych mikroskopijnych stanów. Jest to po prostu postrzegane naruszenie, ponieważ musimy napisać nowe prawa, które uwzględniają ten dostęp” – wyjaśnia Serra.
Implikacje dla obliczeń kwantowych
Zespół badawczy zamierza przełożyć ten eksperyment z odwróconym przepływem ciepła na praktyczną metodę monitorowania stanu termicznego kubitów. Ma to istotne implikacje dla obliczeń kwantowych, gdzie efektywne zarządzanie ciepłem ma kluczowe znaczenie. Ulepszone strategie chłodzenia mogą poprawić stabilność i wydajność kubitów, a nawet wpłynąć na konstrukcję konwencjonalnych komputerów, ponieważ przegrzanie pozostaje podstawowym ograniczeniem wszystkich systemów komputerowych.
To badanie podkreśla głęboki związek między informacją kwantową a termodynamiką, sugerując, że nasze rozumienie wymiany ciepła musi ewoluować, aby dostosować się do unikalnych zasad rządzących światem kwantowym.
