Физики нашли способ заставить холод греть горячее: для этого пришлось перепутать причину и следствие

В основе классической термодинамики лежит принцип, определяющий направление физических процессов во Вселенной: тепловая энергия всегда самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Обратное движение тепла невозможно без затрат внешней механической или электрической энергии.

Этот закон опирается на фундаментальное допущение о природе времени. В классическом описании мира любые взаимодействия разворачиваются в строгой причинно-следственной последовательности: если объект взаимодействует с двумя факторами среды, контакт с первым из них либо строго предшествует контакту со вторым, либо следует за ним. Пространство и время служат неизменной системой координат, в которой события распределены по жесткой хронологической шкале.

Группа физиков из Китая, Италии, Великобритании и Канады экспериментально доказала, что на микроскопическом уровне это допущение перестает быть обязательным.

Исследователи создали установку, в которой последовательность контакта микрочастицы с двумя одинаковыми тепловыми резервуарами находится в состоянии квантовой суперпозиции. Отказ от фиксированной хронологии привел к возникновению аномального теплового потока: частица начала поглощать тепловую энергию из среды, которая была холоднее ее самой.

Используя этот феномен, ученые спроектировали и запустили квантовый тепловой цикл, способный одновременно совершать механическую работу и охлаждать внешнее окружение.

Причинность в квантовом масштабе

В классической физике причинно-следственная связь однозначна. Если зафиксированы два события, то между ними всегда реализуется один из трех сценариев: первое событие вызывает второе, второе опережает первое, либо они происходят в изолированных точках пространства и не могут влиять друг на друга.

Квантовая механика допускает, что физические характеристики микрочастиц — их положение, траектория или проекция спина — могут существовать в виде суперпозиции, то есть сочетания нескольких взаимоисключающих состояний одновременно. В последние годы физики перенесли этот принцип на саму последовательность событий. Это направление получило название концепции неопределенного причинно-следственного порядка.

Главным инструментом для управления такой неопределенностью служит квантовый переключатель. Это логическая схема, где последовательность выполнения двух физических операций над рабочей системой контролируется вспомогательной квантовой частицей — управляющим кубитом.

Если управляющий кубит находится в базовом нулевом состоянии, рабочая система сначала проходит через первый процесс, а затем через второй. Если кубит переведен в единичное состояние, очередность меняется: сначала выполняется второй процесс, а затем первый.

Однако управляющий кубит можно перевести в состояние квантовой суперпозиции ноля и единицы с равными долями вероятности. В этот момент сама хронология событий теряет однозначность. Физический процесс переходит в состояние, где обе последовательности шагов осуществляются одновременно.

Важно подчеркнуть, что речь идет не о случайном классическом выборе, когда прибор с вероятностью в пятьдесят процентов выбирает один из двух заранее определенных путей. В квантовом переключателе оба маршрута сосуществуют одновременно, интерферируя между собой на квантовом уровне.

Ранее квантовые переключатели применялись исключительно в области квантовых вычислений и защищенной связи для повышения скорости передачи данных. Авторы нового эксперимента впервые использовали квантовую неопределенность порядка во времени для управления термодинамическими потоками энергии.

Механика обратного теплообмена

В классической термодинамике контакт микрочастицы с тепловым резервуаром приводит к процессу выравнивания температур. Система переходит в равновесное состояние, а ее температура становится равной температуре окружающей среды. Если частицу последовательно поместить в два одинаковых тепловых резервуара, конечный результат не изменится: система гарантированно примет температуру этих резервуаров, независимо от того, в каком порядке осуществлялся контакт.

В новом исследовании физики направили квантовую частицу, обладавшую собственной начальной температурой, в два термализующих канала с одинаковой температурой, связав порядок их прохождения с управляющим кубитом.

После того как система провзаимодействовала с обоими резервуарами в условиях квантовой суперпозиции последовательностей, экспериментаторы измерили состояние управляющего кубита. Измерение проводилось в так называемом диагональном базисе, выявляющем симметричное (сложение состояний) либо антисимметричное (вычитание состояний) квантовое распределение.

Процедура измерения зафиксировала состояние управляющего кубита и спроецировала рабочую частицу в одно из двух возможных термических состояний. Расчеты и прямые инструментальные замеры показали, что температура этих состояний радикально отклонилась от температуры окружающих резервуаров.

В системе возник аномальный перенос тепловой энергии, направленный вопреки температурному градиенту:

1. Самопроизвольный подогрев нагретой частицы. Если начальная температура квантовой частицы превышала температуру тепловых резервуаров, то при фиксации управляющего кубита в антисимметричном состоянии частица не отдавала тепло, а, напротив, поглощала его из более холодной среды. Внутренняя энергия частицы возрастала. Этот эффект сохранялся до тех пор, пока исходная температура частицы не превышала температуру резервуаров более чем в два раза.
2. Дополнительное охлаждение холодной частицы. Если частица изначально была холоднее окружающих резервуаров, то при фиксации симметричного состояния управляющего кубита она отдавала остатки теплоты в более горячую среду и становилась еще холоднее. Этот процесс протекал устойчиво, если температура окружающих резервуаров не превышала расчетного порогового значения, которое для единичных параметров квантового перехода составляет около полутора раз от начальной температуры частицы.

Если суперпозицию порядков заменить обычным случайным переключением каналов без квантовой когерентности, эффект полностью исчезает. Тепло начинает вести себя классически — переходит исключительно от горячего тела к холодному. Следовательно, движущей силой аномального теплового потока выступает интерференция двух вариантов прошлого.

Почему не нарушаются законы термодинамики

Переход тепловой энергии от холодного объекта к горячему без приложения внешней силы создает видимость нарушения второго начала термодинамики. Однако тщательный физический учет показывает, что фундаментальные законы сохранения энергии и роста энтропии выполняются безукоризненно.

Во-первых, аномальное движение тепла возникает не безусловно, а только при сортировке результатов эксперимента в зависимости от исхода измерения управляющего кубита.

Если исследователь откажется от измерений или усреднит показатели теплообмена по всем полученным исходам, суммарный перенос энергии между средой и квантовой частицей окажется неотличим от классического. При изначально равных температурах системы и резервуаров суммарный средний теплообмен строго равен нулю.

Во-вторых, управляющий кубит не является пассивным наблюдателем. Математическое описание квантового переключателя эквивалентно схеме, где квантовые состояния взаимодействуют через операции контролируемого взаимного обмена.

Из этого следует, что квантовая когерентность — способность системы сохранять фазовую взаимосвязь своих квантовых состояний — представляет собой реальный физический ресурс. В квантовой теории информации и термодинамике когерентность эквивалентна свободной энергии. Именно ресурс когерентности, изначально заложенный в управляющий кубит при его подготовке, расходуется на прокачку теплоты против естественного температурного уклона.

В-третьих, если рассматривать установку как замкнутый непрерывный механизм, необходимо учитывать информационные процессы. Регистрация состояния управляющего кубита создает массив данных в памяти регистрирующего прибора. Чтобы замкнуть цикл и вернуть установку в исходное состояние для следующего шага, эту информацию необходимо стереть.

Согласно фундаментальному принципу Ландауэра, стирание информации на физическом носителе всегда требует совершения работы и неизбежно сопровождается выделением тепла в окружающую среду. Затраты энергии на очистку памяти прибора прямо пропорциональны температуре среды и объему удаляемой информационной энтропии.

Расчет показал, что объем работы, необходимой для стирания данных об измерении, с запасом перекрывает локальный выигрыш в энергии, полученный при аномальном теплообмене. Общая энтропия замкнутой системы, включающей частицу, тепловые резервуары, управляющий кубит и память измерительного комплекса, непрерывно возрастает.

Двухрежимный цикл Отто

Чтобы перевести обнаруженный эффект в прикладное русло, исследователи модернизировали термодинамический цикл Отто, на базе которого работают классические двигатели внутреннего сгорания.

В макромире тепловая машина выполняет строго одну задачу. Она может быть двигателем: забирать тепло из горячего источника, преобразовывать его часть в механическую работу и сбрасывать остаток тепла в холодный радиатор. Либо она работает как холодильник: потребляет работу от внешнего источника для принудительного отбора тепла у холодного тела и передачи его горячему.

Объединить выработку работы и охлаждение среды в рамках одного традиционного устройства невозможно.

Квантовый цикл с неопределенным порядком событий решает эту задачу. В качестве рабочего тела ученые использовали квантовую частицу с двумя энергетическими уровнями, расстояние между которыми можно плавно регулировать с помощью внешней частоты.

Цикл состоит из четырех последовательных шагов:

1. Квантовое адиабатическое сжатие. На первом этапе частота квантового перехода принудительно увеличивается. Частица изолирована от теплового контакта, но над ней совершается внешняя механическая работа. В результате этой накачки энергии внутренняя температура частицы возрастает прямо пропорционально росту рабочей частоты.
2. Теплообмен через квантовый переключатель. Нагретая частица подключается через квантовый свитч к двум каналам холодного резервуара. Температура этого резервуара ниже температуры самой частицы и одновременно ниже температуры горячего стока, используемого в конце цикла. Управляющий кубит измеряется. При регистрации антисимметричного квантового состояния частица, вопреки классическим законам, забирает порцию тепловой энергии из холодного резервуара, охлаждая его еще сильнее. Если прибор фиксирует другой исход, частица кратковременно сбрасывается в исходную точку такта и операция повторяется до получения нужного результата.
3. Квантовое адиабатическое расширение. Рабочая частота квантовой частицы возвращается к исходному низкому значению. Внутренняя энергия системы снижается, и частица передает эту энергию внешнему потребителю, совершая полезную квантовую работу.
4. Охлаждение и стирание информации. Частица контактирует со стандартным горячим резервуаром и сбрасывает излишки тепла, возвращаясь в базовое термодинамическое состояние. Одновременно с этим внешняя энергия расходуется на стирание данных об измерении в регистрирующем блоке памяти, подготавливая прибор к новому обороту цикла.

По итогам четырех тактов машина одновременно совершает три действия:

• отбирает теплоту у холодного источника, работая как холодильник;
• сбрасывает избыточную тепловую энергию в более теплый резервуар;
• отдает наружу чистую полезную работу, функционируя как двигатель.

Эффективность этой комбинированной установки оценивается коэффициентом производительности: суммарный полезный выход (охлаждающая способность плюс произведенная механическая работа) делится на затраты энергии, ушедшие на очистку памяти измерителя.

Эксперимент показал, что коэффициент полезного действия достигает максимума, когда рабочая частота частицы на этапе сжатия возрастает примерно на десять с половиной процентов относительно базовой частоты. В этой точке система обеспечивает наивысшую отдачу полезной энергии на единицу затраченных информационных ресурсов.

Эксперимент на квантах света

Теоретическую концепцию проверили экспериментально с помощью фотонной квантовой платформы. Все термодинамические элементы — рабочее тело, механическая работа, подвод и отвод тепла — моделировались через квантовые состояния единичных фотонов.

Экспериментальная архитектура состояла из нескольких специализированных узлов:

• Генератор одиночных частиц. Ультрафиолетовый полупроводниковый лазер с длиной волны 405 нанометров направлял непрерывный луч на нелинейный оптический кристалл титанил-фосфата калия. В кристалле происходило спонтанное параметрическое рассеяние: каждый высокоэнергетический фотон накачки распадался на пару запутанных инфракрасных фотонов с длиной волны 810 нанометров. Детекторы регистрировали около пятидесяти тысяч пар таких частиц в секунду. Один фотон из пары служил сигналом фиксации события, второй направлялся в рабочую оптическую цепь.
• Кодирование квантовых параметров. Роль рабочего тела выполняла поляризация фотона. Горизонтальное направление поляризации света соответствовало возбужденному состоянию частицы, вертикальное направление — ее основному энергетическому уровню. Управляющий кубит кодировался пространственным маршрутом фотона.
• Оптический квантовый свитч. Неопределенный порядок событий создавался внутри оптического интерферометра Маха — Цендера общей протяженностью около 1,8 метра. Первый светоделительный кубик расщеплял путь фотона на две пространственные траектории. В первом плече фотон сначала проходил первый термализующий канал, затем второй. Во втором плече порядок следования каналов менялся на обратный. Второй светоделитель сводил обе траектории вместе, восстанавливая интерференцию и создавая суперпозицию путей.
• Моделирование тепловых ванн. Роль тепловых резервуаров выполняли сборки из поляризационных светоделителей, полуволновых и четвертьволновых фазовых пластин. Поворачивая оптические оси этих пластин на строго рассчитанные углы, физики вносили контролируемое затухание и шум в состояние поляризации фотона, что математически в точности воспроизводило контакт частицы с нагретой средой заданной температуры. Точность воспроизведения тепловых каналов превысила девяносто девять процентов.

Главной технической трудностью эксперимента была защита установки от внешних воздействий. Поскольку длина плеч интерферометра составляла почти два метра, малейшие температурные колебания воздуха в помещении и механические микровибрации оптического стола сдвигали фазу световых волн и разрушали квантовую интерференцию.

Для решения этой проблемы ученые собрали активную систему стабилизации фазы. Навстречу сигнальным квантам через интерферометр параллельно пустили вспомогательный лазерный луч с длиной волны 808 нанометров, смещенный относительно основного луча по вертикали всего на пять с половиной миллиметров.

Специальный фотодетектор непрерывно отслеживал интерференцию этого опорного луча. При малейшем сдвиге фазы блок автоматического управления мгновенно подавал компенсирующее напряжение на пьезоэлектрический привод зеркала. Пьезоэлемент смещал зеркало на доли нанометра, компенсируя внешние возмущения в реальном времени.

Собранная оптическая система полностью подтвердила теоретические прогнозы. Графики передачи тепловой энергии, выработки работы и вероятности квантовых исходов совпали с расчетными кривыми.

Прикладные перспективы и фундаментальный контекст

Экспериментальное подтверждение аномального теплообмена открывает новое направление на стыке квантовой информатики и физики неравновесных процессов.

В инженерно-техническом плане эти результаты имеют прямое отношение к квантовым вычислениям. В современных твердотельных квантовых процессорах на базе сверхпроводников или полупроводниковых структур одной из главных проблем остается локальный нагрев микросхем. Микроскопические токи управления выделяют теплоту, которая разрушает квантовые состояния соседних кубитов.

Обычные системы охлаждения требуют массивных теплоотводов и электрических цепей, создающих паразитные электромагнитные помехи. Контроль тепловых потоков через квантовую суперпозицию последовательности взаимодействий дает возможность осуществлять локальный отвод тепла на уровне микроскопических узлов за счет перераспределения информации, без применения механических или тепловых насосов.

В фундаментальном аспекте работа затрагивает основы физических представлений о времени. В современных теоретических моделях квантовой гравитации предполагается, что в экстремально малых пространственных масштабах планковской длины само пространство-время теряет непрерывность.

Там больше не существует единого хронологического фона, на котором разворачиваются мировые события. Последовательность причин и следствий сама становится динамической квантовой величиной.

Лабораторные эксперименты с тепловыми машинами в условиях неопределенного порядка позволяют изучать законы термодинамики в контролируемой среде, моделирующей условия, где время и причинность перестают действовать как абсолютные правила макроскопического мира.

Источник: arXiv