Топлота уназад показује да ће законима термодинамике можда бити потребно квантно ажурирање

Заборављена шољица кафе ће се постепено хладити како њена топлота тече у хладнији околни ваздух, али у квантном царству, чини се да се ово искуство може окренути наопачке. Као резултат тога, можда ћемо морати да ажурирамо други закон термодинамике, фундаментални принцип физике који каже да топлотна енергија увек тече из топлог у хладно.

Давеи Лу на Јужном универзитету за науку и технологију у Кини и његове колеге су наизглед прекршили овај закон са молекулом кротонске киселине, која садржи атоме угљеника, водоника и кисеоника. Истраживачи су користили језгра четири његова атома угљеника као кубите, који су основни градивни блокови квантних рачунара и могу да чувају квантне информације. Када се користе у рачунању, истраживачи обично контролишу квантна стања кубита рафовима електромагнетног зрачења, али у овом случају, тим је искористио ову контролу како би уместо тога направио топлотни ток из хладнијег кубита са нижом температуром ка топлијем.

Ово се никада не би спонтано догодило нечему у нашем макроскопском свету, као што је шоља кафе, јер би то захтевало додатну енергију за подстицање повратног тока. Али у квантном окружењу, доступни су и други облици горива – у овом случају, облик квантне информације који се зове „кохеренција“. „Убризгавањем и контролом ове квантне информације можемо преокренути смер тока топлоте“, каже Лу. “Били смо узбуђени.”

Чињеница да се закони термодинамике кваре у квантној области није можда изненађујућа, јер су постављени у 19. веку, око 100 година пре формализације квантне физике. Да би решили овај проблем, Лу и његове колеге су израчунали „привидну температуру“ сваког кубита, што је модификација конвенционалне температуре која објашњава нека од квантних својстава објекта, попут кохерентности, и видели су да је други закон термодинамике поново задовољен и топлотни ток са више привидне температуре на нижу.

Роберто Серра на Федералном универзитету АБЦ у Бразилу каже да се квантна својства попут кохерентности могу сматрати врстом термодинамичког ресурса аналогног томе како је, на пример, топлота ресурс који се користи да би парна машина радила. Он каже да када се манипулише овим квантним, микроскопским ресурсима, закони термодинамике се очигледно могу прекршити. „Али уобичајени закони термодинамике су развијени мислећи да немамо приступ овим микроскопским стањима. Ово је само очигледно кршење јер морамо да пишемо нове законе с обзиром да имамо тај приступ“, каже Сера.

Истраживачи сада желе да свој експеримент са преокретом топлоте претворе у практичнији протокол за контролу топлоте међу кубитима, каже Лу. Осим откривања фундаменталних веза између квантних информација и топлоте, проналажење нових практичних начина за хлађење кубита могло би побољшати квантне рачунаре. Ово би могло бити од велике важности за растућу индустрију квантног рачунарства, јер, на крају крајева, чак и конвенционални рачунари могу да раде само онолико добро колико могу да избегну загревање, каже Серра.