W przełomowym odkryciu naukowcy z Nagoya University w Japonii i Słowackiej Akademii Nauk przedstawili nowe informacje na temat wzajemnego oddziaływania teorii kwantowej a termodynamiką. Zespół wykazał, że chociaż teoria kwantowa z natury nie zabrania naruszenia drugiego prawa termodynamiki, procesy kwantowe mogą być wdrażane bez faktycznego naruszenia prawa. To odkrycie, opublikowane w NPJ Quantum Information, podkreśla harmonijne współistnienie między dwoma dziedzinami, pomimo ich logicznej niezależności. Ich odkrycia otwierają nowe możliwości zrozumienia termodynamicznych granic technologii kwantowych, takich jak obliczenia kwantowe i silniki nanoskalowe.
Ten przełom przyczynia się do długotrwałej eksploracji drugiego prawa termodynamiki, zasady często uważanej za jedną z najgłębszych i enigmatycznych w fizyce. Drugie prawo twierdzi, że entropia – miara zaburzenia w układzie – nigdy nie maleje spontanicznie. Stwierdza również, że cyklicznie działający silnik nie może wytwarzać pracy mechanicznej poprzez wydobywanie ciepła z jednego środowiska termicznego i podkreśla koncepcję jednokierunkowego przepływu czasu.
Pomimo swojej podstawowej roli, drugie prawo pozostaje jedną z najbardziej dyskutowanych i niezrozumianych zasad w nauce. Centralną w tej debacie jest paradoks „Demona Maxwella”, eksperymentu myślowego zaproponowanego przez fizyka Jamesa Clerka Maxwella w 1867 roku.
Maxwell wyobrażał sobie hipotetyczną istotę – demon – zdolny do szybkiego i powolnego cząsteczek w gazie w równowadze termicznej bez wydawania energii. Oddzielając te cząsteczki na różne regiony, demon może stworzyć różnicę temperatur. Gdy system powraca do równowagi, wykłada się prace mechaniczne, pozornie przeciwstawiając się drugim prawu termodynamiki.
Paradoks od ponad wieku intryguje fizyków, zadając pytania o uniwersalność prawa i tego, czy zależy to od wiedzy i możliwości obserwatora. Rozwiązania paradoksu w dużej mierze koncentrowały się na traktowaniu demona jako systemu fizycznego podlegającego prawom termodynamicznym. Proponowane rozwiązanie polega na usuwaniu pamięci demona, która wymagałaby wydatku pracy mechanicznej, skutecznie zrównoważając naruszenie drugiego prawa.
Aby jeszcze bardziej zbadać to zjawisko, naukowcy opracowali model matematyczny „silnika demonicznego”, systemu napędzanego demonem Maxwella. Ich podejście jest zakorzenione w teorii instrumentów kwantowych, ramach wprowadzonych w latach 70. i 80. XX wieku w celu opisania najbardziej ogólnych form pomiaru kwantowego.
Model obejmuje trzy etapy: Demon mierzy system docelowy, a następnie wyodrębnia z niego pracę, łącząc go z środowiskiem termicznym, a ostatecznie usuwa pamięć poprzez interakcję z tym samym środowiskiem.
Korzystając z tych ram, zespół uzyskał precyzyjne równania dla pracy wydatkowanej przez demona i wykładane przez nią pracę, wyrażone w kategoriach miar informacyjnych kwantowych, takich jak Von Neumann entropia i wzmocnienie informacji Groenewold-Ozawa. Porównując te równania, uzyskali zaskakujący wynik.
„Nasze wyniki wykazały, że w określonych warunkach dozwolonych przez teorię kwantową, nawet po uwzględnieniu wszystkich kosztów, wydobyte prace mogą przekroczyć wydane prace, najwyraźniej naruszając drugie prawo termodynamiki” – wyjaśnił Shintaro Minagawa, główny badacz projektu. „To objawienie było tak ekscytujące, jak nieoczekiwane, kwestionując założenie, że teoria kwantowa jest z natury„ odporna na demon ”. W ramach są ukryte zakątki, w których demon Maxwella może nadal działać w swojej magii. ”
Pomimo tych luk badacze podkreślają, że nie stanowią zagrożenia dla drugiego prawa. „Nasza praca pokazuje, że pomimo tych teoretycznych luk w zabezpieczeniach, możliwe jest zaprojektowanie każdego procesu kwantowego, aby był zgodny z drugim prawem” – powiedział Hamed Mohammady. „Innymi słowy, teoria kwantowa może potencjalnie złamać drugie prawo termodynamiki, ale tak naprawdę nie musi. Stanowi to niezwykłą harmonię między mechaniką kwantową a termodynamiką: pozostają niezależne, ale nigdy zasadniczo sprzeczne”.
Odkrycie to sugeruje również, że drugie prawo nie nakłada ścisłych ograniczeń na pomiary kwantowe. Każdy proces dozwolony przez teorię kwantową można wdrożyć bez naruszenia zasad termodynamicznych. Udoskonalając nasze zrozumienie tej wzajemnej zależności, naukowcy mają na celu odblokowanie nowych możliwości technologii kwantowych przy jednoczesnym zachowaniu ponadczasowych zasad termodynamiki.
„Jedną z rzeczy, które pokazujemy w tym artykule, jest to, że teoria kwantowa jest naprawdę logicznie niezależna od drugiego prawa termodynamiki. Oznacza to, że może naruszyć prawo po prostu dlatego, że w ogóle„ nie wie ” – wyjaśnił Francesco Buscemi. „A jednak – i jest to równie niezwykłe – każdy proces kwantowy można zrealizować bez naruszenia drugiego prawa termodynamiki. Można to zrobić, dodając więcej systemów, aż do przywrócenia równowagi termodynamicznej”. Implikacje tego badania wykraczają poza fizykę teoretyczną. Podświetlanie termodynamicznych granic systemów kwantowych stanowi podstawę innowacji w zakresie obliczeń kwantowych i silnikach nanoskalowych. Gdy badamy sferę kwantową, badania te stanowi przypomnienie delikatnej równowagi między podstawowymi prawami natury a potencjałem przełomowych postępów technologicznych.