Тепло пошло обратно
Квантовый принцип позволяет теплу течь от холодного к горячему
Тепло всегда переходит от горячих тел к холодным. Или всё-таки не всегда?
Такое направление теплового потока следует из второго закона термодинамики: энтропия системы должна либо увеличиваться, либо оставаться неизменной. Однако международная группа учёных экспериментально показала, что квантовый механизм способен обратить поток тепла вспять, не нарушая при этом законов термодинамики.
Затем исследователи использовали тот же механизм для создания квантового двигателя, который одновременно работает как холодильник и совершает полезную работу.
Демон в деталях
Представьте две расположенные рядом камеры с газом, разделённые проницаемой перегородкой. Если газ в одной камере горячее, со временем больше его частиц будет переходить в холодную камеру, чем двигаться в обратном направлении. В результате тепло будет передаваться от горячего газа к холодному.
А теперь представьте возле перегородки некоего маленького помощника, или "демона". Что произойдёт, если он будет пропускать частицы холодного газа в горячую камеру, но не позволит частицам горячего газа переходить в холодную? Тогда мы получим так называемый аномальный тепловой поток - тепло будет передаваться от холодного объекта к горячему. Но здесь есть одна загвоздка. Чтобы выполнять такую работу, демону нужна память, причём её объём не может быть бесконечным. Поэтому рано или поздно старую информацию придётся стирать, чтобы освободить место для новой.
И оказывается, что стирание этой памяти с учётом всего процесса увеличивает общую энтропию. Поэтому второй закон термодинамики в итоге всё равно не нарушается.
Причинность и квантовый переключатель
Но как создать такого "демона" на практике? В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, Джулио Чирибелла, Энрико Руссо и Розарио Ло Франко вместе с Чжун-Сяо Манем и коллегами из Цюйфуского педагогического университета в Китае показали, что роль такого демона может выполнить квантовое устройство.
В квантовой механике объект не обязан всё время находиться в каком-то одном определённом состоянии. Он может одновременно находиться в суперпозиции нескольких состояний.
Самый известный пример - кот в коробке, который до момента наблюдения считается одновременно и живым, и мёртвым. Когда коробку открывают, то есть проводят измерение, его волновая функция "коллапсирует", и остаётся одно определённое состояние - кот оказывается либо жив, либо мёртв.
Квантовая механика допускает нечто похожее и с порядком событий. В обычном мире сначала может произойти событие A, а затем событие B, либо наоборот. В квантовой системе возможна ситуация, когда оба варианта порядка событий одновременно находятся в суперпозиции. Такую ситуацию называют неопределённым причинным порядком. Именно она оказалась ключом к получению аномального теплового потока.
"Направление теплообмена определяется не только температурами", - объясняет Мань, физик из Цюйфуского педагогического университета, занимающийся квантовой информацией и квантовой оптикой. "Если квантовым образом управлять порядком двух процессов теплообмена, система может демонстрировать такие тепловые потоки, которые невозможны в обычной классической физике".
Эксперимент
Исследователи реализовали этот принцип с помощью устройства под названием квантовый переключатель. У него есть дополнительный управляющий элемент - квантовый бит, или кубит. Если управляющий кубит находится в состоянии 0, сначала выполняется операция A, а затем B. Если кубит находится в состоянии 1, порядок меняется - сначала B, затем A.
Но поскольку кубит является квантовым объектом, он может находиться и в суперпозиции состояний 0 и 1 - примерно как тот самый кот одновременно считается живым и мёртвым. Именно благодаря этой суперпозиции возникает неопределённый причинный порядок.
Для создания квантового переключателя исследователи использовали интерферометр - оптический прибор, позволяющий разделять свет на разные пути и затем снова объединять его. С его помощью свет переводили в суперпозицию двух различных путей. На каждом из них фотоны проходили через одни и те же события, но в разном порядке.
"Фотонная установка позволяет воспроизвести эффект квантового переключателя при сравнительно небольших затратах ресурсов", - объясняет Чирибелла, специалист по теории квантовой информации из Гонконгского университета.
Исследователи также использовали эту установку для создания варианта двигателя, который переносит тепло от холодного тела к горячему и одновременно совершает работу. На первый взгляд это противоречит второму закону термодинамики. В одной из его формулировок говорится, что для переноса тепла от холодного тела к горячему над системой необходимо совершить работу. Здесь же получается наоборот - система сама совершает работу. Однако второй закон всё равно не нарушается.
Управляющий кубит квантового переключателя играет ту же роль, что память воображаемого демона. После каждого цикла двигателя кубит необходимо вернуть в исходное состояние суперпозиции. Если учитывать и этот процесс, общий баланс снова соответствует второму закону термодинамики.
"Один из самых интересных аспектов этой работы заключается в том, что настолько противоречащий интуиции термодинамический эффект можно исследовать с помощью фотонов в обычной оптической лаборатории", - отмечает Ло Франко, специалист по квантовой инженерии из Университета Палермо в Италии. "Благодаря этому результат интересен не только с точки зрения теории. Его можно изучать экспериментально, и он может оказаться полезным для будущих квантовых технологий".
Обычно всё просто: горячая кружка остывает, потому что отдаёт тепло более холодному воздуху. Физики собрали квантовую систему, в которой получилось наоборот - более холодное окружение начало отдавать тепло более горячему объекту. Законы термодинамики при этом не сломались и вечный двигатель не появился. Просто в квантовом мире есть способы устроить теплообмен гораздо хитрее привычного.
Суть в том, что тепло передавали через два процесса, но их порядок специально сделали неопределённым. Нельзя было сказать, что сначала произошло первое, а потом второе - квантовая система как бы использовала оба порядка сразу. Этого оказалось достаточно, чтобы тепло на некоторое время потекло в непривычную сторону - от холодного к горячему.
На этом же принципе исследователи собрали экспериментальный квантовый двигатель. Он одновременно мог выдавать полезную работу и охлаждать систему. До настоящих холодильников и моторов тут ещё далеко, но сам результат забавный: физики заставили тепло идти туда, куда в обычной жизни оно само идти категорически не хочет.