Фундаментальні закони, що регулюють теплопередачу, зокрема той факт, що тепло завжди рухається від гарячіших до холодніших об’єктів, можуть вимагати перегляду на квантовому рівні. Нове дослідження демонструє зворотну залежність цього принципу з використанням молекули кротонової кислоти, що потенційно змушує переосмислити другий закон термодинаміки.
Зворотний квантовий тепловий потік
Дослідницька група під керівництвом Давей Лу з Південного університету науки та технологій Китаю маніпулювала квантовими станами атомів вуглецю всередині молекули кротонової кислоти (сполуки, що містить вуглець, водень та кисень). Ці атоми функціонували як кубити – фундаментальні одиниці квантових обчислень – і контролювалися з використанням електромагнітного випромінювання. Замість того, щоб тепло йшло від тепліших до холодніших кубитів, як очікувалося, команда спроектувала зворотний потік, спрямовуючи тепло від кубитів з нижчою температурою до гарячіших.
Цей результат суперечить класичній термодинаміці, де такий процес зажадав би зовнішнього надходження енергії. Однак у квантовій області команда використовувала ресурс, який називається «когерентністю» — форму квантової інформації — для ефективного забезпечення цього зворотного теплоперенесення. За словами Лу, «вводячи та контролюючи цю квантову інформацію, ми можемо змінити напрямок теплового потоку».
Роль температури, що здається
Порушення другого закону, що здається, не обов’язково є дефектом самого закону, а скоріше обмеженням його традиційного формулювання. Другий закон було встановлено у 19 столітті, до розвитку квантової фізики. Щоб узгодити цю розбіжність, Лу та його колеги розрахували «температуру, що здається» для кожного кубиту. Ця скоригована температура враховує квантові властивості, такі як когерентність, відновлюючи справедливість другого закону, гарантуючи, що тепло перетікає від більш високої до нижчої температури.
Квантові ресурси та термодинаміка
Роберто Серра з Федерального університету ABC у Бразилії припускає, що квантові властивості, такі як когерентність, слід розглядати як термодинамічний ресурс, подібно до того, як тепло приводить у дію паровий двигун. Маніпулювання цими мікроскопічними ресурсами дозволяє домогтися уявних порушень традиційної термодинаміки. «Але звичайні закони термодинаміки були розроблені з урахуванням того, що ми не маємо доступу до цих мікроскопічних станів. Це лише порушення, що здається, тому що нам потрібно написати нові закони, які враховують цей доступ», — пояснює Серра.
Наслідки для квантових обчислень
Дослідницька група прагне перевести цей експеримент із зворотним тепловим потоком у практичний метод контролю термічного стану кубітів. Це має значні наслідки для квантових обчислень, де ефективне керування теплом має вирішальне значення. Покращені стратегії охолодження можуть підвищити стабільність і продуктивність кубитів і навіть вплинути на розробку звичайних комп’ютерів, оскільки перегрів залишається фундаментальним обмеженням у всіх обчислювальних системах.
Це дослідження наголошує на глибокому взаємозв’язку між квантовою інформацією та термодинамікою, припускаючи, що наше розуміння теплопередачі має розвиватися, щоб адаптуватися до унікальних правил, що керують квантовим світом.
