Фундаментальные законы, регулирующие теплопередачу, — в частности, тот факт, что тепло всегда движется от более горячих к более холодным объектам, — могут потребовать пересмотра на квантовом уровне. Новое исследование демонстрирует кажущуюся обратную зависимость этого принципа с использованием молекулы кротоновой кислоты, что потенциально вынуждает переосмыслить второй закон термодинамики.
Обратный квантовый тепловой поток
Исследовательская группа под руководством Давэй Лу из Южного университета науки и технологий Китая манипулировала квантовыми состояниями атомов углерода внутри молекулы кротоновой кислоты (соединения, содержащего углерод, водород и кислород). Эти атомы функционировали как кубиты — фундаментальные единицы квантовых вычислений — и контролировались с использованием электромагнитного излучения. Вместо того, чтобы тепло шло от более теплых к более холодным кубитам, как ожидалось, команда спроектировала обратный поток, направляя тепло от кубитов с более низкой температурой к более горячим.
Этот результат противоречит классической термодинамике, где такой процесс потребовал бы внешнего поступления энергии. Однако в квантовой области команда использовала ресурс, называемый «когерентностью» — форму квантовой информации — для эффективного обеспечения этого обратного теплопереноса. По словам Лу, «вводя и контролируя эту квантовую информацию, мы можем изменить направление теплового потока».
Роль кажущейся температуры
Кажущееся нарушение второго закона не обязательно является дефектом самого закона, а скорее ограничением его традиционной формулировки. Второй закон был установлен в 19 веке, до развития квантовой физики. Чтобы согласовать это расхождение, Лу и его коллеги рассчитали «кажущуюся температуру» для каждого кубита. Эта скорректированная температура учитывает квантовые свойства, такие как когерентность, восстанавливая справедливость второго закона, гарантируя, что тепло перетекает от более высокой к более низкой кажущейся температуре.
Квантовые ресурсы и термодинамика
Роберто Серра из Федерального университета ABC в Бразилии предполагает, что квантовые свойства, такие как когерентность, следует рассматривать как термодинамический ресурс, подобно тому, как тепло приводит в действие паровой двигатель. Манипулирование этими микроскопическими ресурсами позволяет добиться кажущихся нарушений традиционной термодинамики. «Но обычные законы термодинамики были разработаны с учетом того, что у нас нет доступа к этим микроскопическим состояниям. Это всего лишь кажущееся нарушение, потому что нам нужно написать новые законы, учитывающие этот доступ», — объясняет Серра.
Последствия для квантовых вычислений
Исследовательская группа стремится перевести этот эксперимент с обратным тепловым потоком в практический метод контроля термического состояния кубитов. Это имеет значительные последствия для квантовых вычислений, где эффективное управление теплом имеет решающее значение. Улучшенные стратегии охлаждения могут повысить стабильность и производительность кубитов и даже повлиять на разработку обычных компьютеров, поскольку перегрев остается фундаментальным ограничением во всех вычислительных системах.
Это исследование подчеркивает глубокую взаимосвязь между квантовой информацией и термодинамикой, предполагая, что наше понимание теплопередачи должно развиваться, чтобы адаптироваться к уникальным правилам, управляющим квантовым миром.
