Что произойдет, если поменять местами причину и следствие: создан квантовый двигатель, который одновременно вырабатывает работу и охлаждает

Классическая термодинамика строится на строгих и неизменных правилах. Одно из ключевых положений этой науки гласит: теплота самопроизвольно переходит только от более нагретого тела к более холодному. Нагретый предмет, находясь в прохладном помещении, отдаёт энергию окружающему воздуху до тех пор, пока их температуры не сравняются. Обратный процесс — когда предмет забирает тепло из воздуха и нагревается еще сильнее без внешнего воздействия — считается физически невозможным.

Вторая незыблемая основа классической физики — хронологическая последовательность причин и следствий. Если система последовательно подвергается двум воздействиям, одно из них неизбежно происходит раньше, а другое — позже. Порядок этих событий четко зафиксирован во времени.

Однако международная группа физиков продемонстрировала, что на микроскопическом квантовом уровне эти правила можно обойти. Объединив термодинамику с принципом квантовой суперпозиции, ученые создали условия, при которых порядок событий становится неопределенным. Это состояние — так называемый неопределенный причинно-следственный порядок — заставило тепловую энергию перемещаться вопреки естественному температурному градиенту: от холодного источника к горячему.

На основе этого эффекта физикам удалось спроектировать и собрать прототип квантового двигателя, который совмещает в одном рабочем цикле функции генератора энергии и холодильника.

Порядок событий в квантовом мире

В повседневной жизни хронология событий абсолютна. Если назвать два действия буквенными индексами А и В, то в классическом мире возможны только два варианта их очередности: либо действие А выполняется первым, а В — вторым, либо наоборот. Третьего не дано. Если вы пропускаете электрический ток через два последовательных прибора, ток гарантированно проходит сначала через один из них, и только потом — через другой.

В квантовой механике материя и энергия способны находиться в состоянии суперпозиции — то есть сочетать в себе несколько физических состояний одновременно, пока не будет произведено наблюдение или измерение. Долгое время суперпозицию применяли только к характеристикам частиц: их местоположению, импульсу или спину. Однако теоретические исследования последних лет показали, что в состояние суперпозиции можно поместить и саму хронологическую последовательность событий.

Техническое устройство или физический процесс, который реализует такую неопределенность, называют квантовым свитчем (или квантовым переключателем).

Работает этот механизм следующим образом. В схему вводится вспомогательная квантовая частица, выполняющая роль управляющего элемента. У этой частицы есть два базовых состояния. Когда управляющая частица находится в первом состоянии, рабочая система сначала проходит через физический процесс А, а затем через процесс В. Когда управляющая частица переводится во второе состояние, порядок меняется на противоположный: сначала выполняется процесс В, а затем А.

Однако квантовую управляющую частицу можно перевести в состояние суперпозиции, при котором она находится в обоих базовых состояниях одновременно. В этот момент классическая хронология рушится. Рабочая система взаимодействует с процессами А и В без четко определенной очередности. Нельзя сказать, что процесс А произошел раньше В, как нельзя утвердительно заявить и обратное. Оба варианта хронологии сосуществуют параллельно.

Механика аномального теплопереноса

Чтобы понять, как неопределенный порядок событий влияет на энергию, ученые рассмотрели физическую систему, взаимодействующую с двумя идентичными тепловыми резервуарами.

В классических условиях, если нагретый или охлажденный объект поочередно приводится в контакт с двумя одинаковыми источниками тепла, имеющими постоянную температуру, порядок этих контактов не имеет никакого значения. Объект просто постепенно отдаёт или забирает энергию, приближаясь к температуре этих источников.

В квантовом эксперименте рабочую систему заставили взаимодействовать с двумя одинаковыми тепловыми резервуарами через квантовый свитч — то есть в состоянии неопределенного причинно-следственного порядка. После того как взаимодействие состоялось, физики провели измерение состояния управляющей частицы.

Результаты этого измерения разделили поведение системы на две возможные модели поведения, каждая из которых противоречит классической термодинамической интуиции:

1. Аномальный нагрев. Если начальная температура рабочей системы была выше температуры тепловых резервуаров (но разница не превышала определенного физического порога), то при фиксировании одного из результатов измерения управляющей частицы система не отдавала тепло средам, а поглощала его. Система становилась еще горячее за счет более холодных резервуаров.
2. Аномальное охлаждение. Если начальная температура системы изначально была ниже температуры резервуаров, при другом исходе измерения управляющей частицы система отдавала остатки своей тепловой энергии более горячей окружающей среде и охлаждалась еще сильнее.

Этот эффект назвали аномальным теплопереносом. Вектор движения энергии изменился на противоположный: вместо выравнивания температур происходило увеличение их разницы.

Физика информации и закон сохранения энергии

На первый взгляд, движение тепла от холодного тела к горячему без видимого внешнего вмешательства выглядит как нарушение Второго закона термодинамики. Этот закон утверждает, что энтропия замкнутой системы не может уменьшаться самопроизвольно, а значит, создать вечный двигатель невозможно.

Однако подробный теоретический анализ показывает, что Второй закон термодинамики остается в абсолютной силе. Секрет аномального теплопереноса заключается в физической природе информации и квантовой когерентности.

Во-первых, сам квантовый свитч не является полностью «пассивным» наблюдателем. Управляющая частица, находясь в состоянии суперпозиции, обладает квантовой когерентностью. В термодинамическом смысле квантовая когерентность — это полноценный физический ресурс, эквивалентный свободной энергии. Переводя управляющую частицу в состояние суперпозиции и задействуя её в процессе переключения операций, исследователи фактически вливают в рабочую систему дополнительную энергию.

Во-вторых, аномальный теплоперенос не происходит автоматически для всех частиц подряд. Он проявляется только условно — в результате так называемой постселекции (отбора данных). Физики измеряют управляющую частицу и отбирают только те случаи, когда измерение дает определенный результат. Если же проигнорировать данные измерений и посчитать суммарный средний теплообмен по всем попыткам, то окажется, что в среднем тепло течет абсолютно классически — от горячего к холодному.

В-третьих, если попытаться превратить этот эффект в циклический процесс, непрерывно качающий тепло в обратном направлении, неизбежно вступает в силу принцип Ландауэра.

Этот принцип физики сформулировали во второй половине XX века, связав воедино теорию информации и термодинамику. Согласно принципу Ландауэра, любая операция по стиранию информации из физического носителя (например, очистка памяти измерительного прибора, фиксировавшего состояния управляющей частицы) требует затрат минимального количества энергии и приводит к выделению тепла в окружающую среду.

Чтобы вернуть измерительное устройство в исходное состояние и запустить следующий такт охлаждения или нагрева, полученную информацию нужно стереть. Энергия, затрачиваемая на стирание памяти измерительного прибора, полностью перекрывает энергетический выигрыш, полученный за счет аномального теплопереноса. Физический баланс Вселенной сохраняется.

Квантовый двигатель Отто: совмещение работы и охлаждения

Поняв термодинамические механизмы неопределенного порядка событий, исследователи перешли от теории к практике и разработали концепт квантового теплового двигателя. За основу был взят классический цикл Отто — физическая модель, по которой работают двигатели внутреннего сгорания.

В классической физике цикл Отто состоит из четырех последовательных этапов (тактов):

• Адиабатическое сжатие: сжатие рабочего тела без обмена теплом с окружающей средой, на что тратится внешняя работа.
• Изохорный нагрев: рабочий объем остается неизменным, система получает тепло от горячего источника.
• Адиабатическое расширение: рабочее тело расширяется, совершая полезную механическую работу.
• Изохорное охлаждение: система отдает избыток тепла в холодный резервуар и возвращается в начальное состояние.

В классическом исполнении любая машина Отто строго узкоспециализирована. Она может быть либо двигателем (поглощать тепло от горячего источника, отдавать часть холодному и вырабатывать полезную работу), либо холодильником (потреблять внешнюю работу, чтобы качать тепло от холодного тела к горячему). Совместить эти процессы в одной классической машине невозможно.

Квантовый цикл Отто, использующий неопределенный причинно-следственный порядок, работает принципиально иначе. Он перестраивает структуру изохорных тактов:

1. Такт сжатия: внешний агент увеличивает собственную частоту квантовой системы от базовой частоты 1 до повышенной частоты 2, тратя на это энергию.
2. Такт квантового нагрева через свитч: система подсоединяется к относительно холодному резервуару через квантовый свитч. В силу эффекта аномального теплопереноса система, при успешном исходе измерения управляющей частицы, забирает тепло из этого холодного источника, дополнительно охлаждая его. Если результат измерения оказывается неуспешным, система термически сбрасывается к исходному состоянию, и такт повторяется заново.
3. Такт расширения: частота системы снижается от частоты 2 обратно к частоте 1, и она совершает полезную работу над внешним устройством.
4. Такт охлаждения и сброса памяти: система отдает лишнее тепло в горячий резервуар, а память измерительного комплекса очищается с затратами энергии, определяемыми принципом Ландауэра.

Благодаря использованию неопределенного порядка событий квантовая машина начинает выполнять две задачи одновременно: она отбирает тепло у холодного источника (работает как холодильник) и при этом генерирует чистую полезную работу на выходе (работает как двигатель).

Как был устроен эксперимент

Для экспериментальной проверки теоретической модели физики собрали оптический стенд. В качестве рабочих объектов использовались одиночные частицы света — фотоны, а основным инструментом сборки стал сложенный интерферометр Маха — Цендера общей длиной около 1,8 метра.

Выбор фотонов в качестве квантовых систем обусловлен тем, что их физическими параметрами легко управлять с помощью высокоточной оптики:

• Рабочая система (рабочий кубит): роль рабочего тела играла поляризация одиночных фотонов. Вертикальная поляризация света соответствовала основному (низкоэнергетическому) состоянию системы, а горизонтальная поляризация — возбужденному (высокоэнергетическому) состоянию.
• Управляющая система (управляющий кубит): роль управляющего элемента играл пространственный путь фотона. С помощью специальных оптических делителей пучка фотон отправляли в суперпозицию двух разных траекторий внутри интерферометра.
• Тепловые каналы: тепловые резервуары моделировались с помощью комбинации полуволновых оптических пластин и делителей луча. Эти приборы с высокой точностью изменяли поляризацию фотонов, имитируя процесс термического обмена с окружающей средой при заданной температуре.

В одном пространственном плече интерферометра фотон проходил сначала через первый тепловой канал, а затем через второй. В другом плече порядок расположения каналов был противоположным. Поскольку фотон находился в суперпозиции пространственных путей, он проходил через оба варианта последовательности одновременно.

На выходе из интерферометра стояла система детекторов, которая фиксировала конечную поляризацию фотонов и состояние его пространственного пути. Точность реализации квантовых процессов в эксперименте превысила 99%.

Измерения полностью подтвердили теоретические расчеты. Ученые зафиксировали аномальный теплоперенос в фотонной системе и доказали, что созданный квантовый двигатель действительно способен одновременно вырабатывать работу и охлаждать холодный резервуар.

Что это меняет для науки и технологий

Результаты эксперимента выходят далеко за рамки фундаментальной физики и демонстрации необычных квантовых эффектов.

С практической точки зрения открытие неопределенного причинно-следственного порядка как термодинамического ресурса открывает новые возможности для микроэлектроники и квантовых технологий. Современные квантовые компьютеры и сверхпроводниковые процессоры чрезвычайно чувствительны к тепловым шумам. Создание высокоэффективных микроскопических систем охлаждения, использующих квантовые эффекты самого рабочего тела для отвода тепла, может решить проблему локального перегрева микросхем.

С фундаментальной точки зрения работа исследователей показывает, что понятия энергии, работы и тепла на микроскопическом уровне тесно связаны с понятиями информации и структуры времени. В масштабах квантовых частиц порядок событий перестает быть статичным фоном, на котором разворачиваются физические процессы. Он сам становится активным участником реакций и гибким инструментом, способным перенаправлять потоки энергии.

Понимание того, как законы термодинамики функционируют в условиях неопределенного причинно-следственного порядка, приближает физику к созданию единой картины мира, где квантовая механика, теория информации и гравитация работают по общим, гармоничным правилам.

Источник: arXiv