Группа ученых провела эксперимент, показавший возможность передачи тепла от более холодного объекта к более горячему без нарушения законов термодинамики. Обычно тепловой поток направлен строго от горячего к холодному, что следует из второго начала термодинамики, согласно которому энтропия изолированной системы должна возрастать или оставаться неизменной.
Физики показали, что тепло может перетекать от холодного к горячему на квантовом уровне
Ученые провели эксперимент, продемонстрировавший аномальный тепловой поток от холодного тела к горячему, что невозможно, согласно законам классической термодинамики. Но это удалось сделать с помощью уникального квантового процесса.
Квантовый демон Максвелл на лабораторном столе. Исследовательская группа в своей лаборатории. Qufu Normal University
Демон Максвелла. Идея «демона», нарушающего второй закон термодинамики, была предложена Джеймсом Клерком Максвеллом еще в 1867 году. Разрешить этот парадокс удалось лишь в XX веке благодаря связям между физикой и теорией информации. Физик Рольф Ландауэр доказал, что стирание одного бита информации выделяет определенное минимальное количество тепла. Именно этот принцип Ландауэра гарантирует, что квантовый демон не сможет нарушить законы природы: ему придется стирать информацию, и в результате будет выделяться тепло и затрачиваться энергия. Это не зависит от физического устройства самого демона.
Схематическое изображение мысленного эксперимента «Демон Максвелла». Википедия
Но физики сумели обойти это ограничение, задействовав квантовые механизмы. В классическом мысленном эксперименте роль подобного регулятора выполняет «демон Максвелла» — гипотетическое существо, пропускающее быстрые и медленные частицы газа так, чтобы нагревать и без того горячую камеру. Но демону требуется память, очистка которой неизбежно приводит к росту энтропии. В новой работе ученые из Китая, Гонконга и Италии воплотили аналогичный механизм с помощью инструмента квантовой механики, доказав его работоспособность в лаборатории. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Продолжение ниже
Видео
Продолжение
Квантовый демон и неопределенный причинный порядок
Ключевой особенностью эксперимента стало использование явления неопределенного причинного порядка. В квантовой физике объекты могут находиться в суперпозиции состояний, и это касается не только характеристик частиц, но и самой последовательности событий.
Для реализации такой суперпозиции ученые использовали квантовый переключатель на базе оптического интерферометра. В нем управляющий кубит направлял фотоны по двум разным путям, на которых порядок термических процессов был противоположным. Физикам удалось не просто зафиксировать аномальный теплоперенос, но и создать квантовый двигатель, который одновременно охлаждает тело и совершает полезную работу.
От холодного к горячему: визуализация использования квантового переключателя для реализации аномального теплового потока. Giulio Chiribella, Rosario Lo Franco and Zhong-Xiao Man
Чтобы заставить тепло течь от холодного к горячему, квантовому переключателю нужна когерентность — состояние квантовой суперпозиции управляющего кубита. Эта когерентность — не просто абстрактное математическое понятие, а вполне реальный термодинамический ресурс (как заведенная пружина или заряженная батарейка). Когда квантовый демон направляет тепло вопреки классической логике, он расходует когерентность управляющего кубита. Квантовое состояние кубита «портятся», путается и разрушается. Чтобы двигатель мог работать дальше, кубит нужно вернуть в исходное чистое состояние суперпозиции (стирать его «память» и перезаписывать заново). Согласно принципу Ландауэра, на сброс и подготовку этого кубита гарантированно тратится внешняя энергия, а в окружающую среду выделяется теплота.
Второе начало термодинамики при этом не нарушается: управляющий кубит выполняет функцию памяти демона, и его сброс в исходное состояние в конце каждого цикла компенсирует изменение энтропии. Соавтор работы Чжун-Сяо Мань так объяснил суть открытия: «Направление теплообмена определяется не только температурой. Когда порядок двух процессов находится под когерентным контролем, квантовая система может демонстрировать тепловые потоки, невозможные в обычной классической картине».
Загружаем