Алексей Кузнецов Опубликована сегодня в 1:22 Тепло пошло вспять: физики поймали момент, когда второй закон термодинамики дрогнул Физик Николь Юнгер Халперн заявила, что корреляции частиц могут служить топливом для переноса тепла Второй закон термодинамики кажется почти очевидным: тепло всегда течёт от горячего к холодному. Этот принцип объясняет, почему кофе остывает, лёд тает, а батареи разряжаются. Однако в мире квантовых явлений всё оказывается не так просто. Иногда тепло действительно может пойти "в обратную сторону". Недавние исследования физиков из Дании и Бразилии показали, что на квантовом уровне энергия способна двигаться против привычных направлений. При этом закон Клаузиуса не нарушается — просто квантовая механика вносит свои тонкие поправки. От классики к квантам Когда Александр де Оливейра-младший, физик из Технического университета Дании, демонстрировал этот эффект, он предложил простую аналогию. "Возьмите чашку горячего кофе и кувшин холодного молока… тепло перейдёт от горячего к холодному", — сказал физик Александр де Оливейра-младший. Так всё работает в мире, где действуют классические законы. Но в квантовых системах, где частицы могут находиться в суперпозиции или быть запутанными, поток тепла способен разворачиваться. При определённых условиях энергия может переходить от холодного объекта к горячему. Эта странность не опровергает второй закон, а лишь показывает, что его классическая формулировка — частный случай более глубоких квантовых принципов. Как работает квантовый теплообмен Учёные установили, что "аномальный тепловой поток" может стать инструментом диагностики квантовых систем. Измеряя, как тепло ведёт себя в эксперименте, можно определить, существует ли запутанность между частицами. Такой подход может подтвердить, действительно ли квантовый компьютер использует квантовые эффекты при вычислениях. Принцип прост: если тепло переходит к радиатору быстрее, чем это допускает классическая физика, значит, в системе присутствует квантовая запутанность. Это измерение не разрушает саму систему, что особенно ценно для тонких квантовых состояний. Информация как энергия Связь между теплом и информацией была замечена ещё в XIX веке. Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент о демоне, который сортирует молекулы по скорости и тем самым нарушает второй закон. Позже физики доказали, что демон не может "обмануть" природу: чтобы работать, ему нужно тратить энергию на хранение и стирание информации. В 1961 году Рольф Ландауэр показал, что информация сама обладает термодинамической ценностью — её можно преобразовать в энергию. Таким образом, знание действительно становится силой, а информация — топливом, которое может изменить направление теплового потока. Квантовая корреляция и запутанность Запутанные частицы ведут себя согласованно, даже находясь на расстоянии. Измерив одну из них, можно мгновенно узнать состояние другой. Этот феномен, казалось бы, нарушает привычные законы. В 2004 году Часлав Брукнер и Влатко Ведрал предположили, что макроскопические свойства вроде теплоёмкости могут служить индикаторами квантовой запутанности. Позже другие исследователи показали: если в системе есть запутанные состояния, из неё можно извлечь больше работы, чем из классической. А физик Хоссейн Партови в 2008 году доказал, что запутанность способна обратить спонтанный поток тепла вспять. Это не нарушение закона, а использование другого ресурса — корреляций между частицами. "Мы можем использовать корреляции как ресурс для перемещения тепла в противоположном направлении", — отметила физик Николь Юнгер Халперн. Иными словами, вместо топлива в таком "квантовом холодильнике" сжигается информация о взаимосвязях частиц. Демон Максвелла 2.0 Сегодня исследователи создают квантовых аналогов "демона Максвелла". Эти системы используют квантовую память, способную быть запутанной как с горячим, так и с холодным телом. Благодаря этому "демон" управляет тепловыми потоками, усиливая их за пределами классических ограничений. В новой работе де Оливейры и его коллег такая схема превращается в своеобразный термометр квантовости. Измеряя энергию радиатора, можно определить, есть ли запутанность между кубитами. Это способ проверки квантовых вычислений без вмешательства в систему. Сравнение: классический и квантовый теплообмен Параметр Source: https://www.newsinfo.ru/articles/quantum-thermodynamics-2ea/944366/