Квантовая корреляция «нарушила» второе начало термодинамики

Ученые экспериментально реализовали квантовую систему, в которой тепло самопроизвольно перетекает от менее нагретого тела к более нагретому. Однако это кажущееся нарушение второго начала термодинамики реализуется только в случае существования специальных квантовых корреляций между элементами системы до начала взаимодействия. В процессе опыта эти корреляции превращаются в энергию, которая расходуется на изменение направления тока тепла, поэтому квантовое обобщение второго начала не нарушается, пишут авторы в журнале Nature Communications.

Термодинамика — это наука о взаимопревращении различных форм энергии, их связи с температурой, работой и соответствующими свойствами материи. Классическая термодинамика применима к макроскопическим телам, простейшим из которых является математическая абстракция под названием идеальный газ.

Выделяют несколько основополагающих утверждений в термодинамике, на которых базируются последующие выводы, — они называются началами термодинамики. Обычно выделяют три начала — первое, второе и третье, — но иногда к ним добавляют нулевое и минус первое.

Второе начало утверждает, что существуют запрещенные направления процессов в термодинамических системах. Наиболее употребительны две эквивалентные формулировки этого принципа, данные в середине XIX века Кельвином и Клаузисом. Первый вариант гласит, что не существует циклического процесса, единственным результатом которого является производство работы за счет охлаждения теплового резервуара. Второй вариант утверждает, что теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому.

Математическое осмысление второго начала позволяет ввести специфическую термодинамическую характеристику системы под названием энтропия. С ее помощью можно переформулировать исходное положение как возможность самопроизвольного протекания только тех процессов, которые в целом не приводят к уменьшению энтропии. Также второе начало исключает возможность создания вечного двигателя второго рода, то есть устройства, использующего тепло некого резервуара и полностью превращающего его в работу.

Выделенное направление протекания термодинамических процессов является одним из обоснований выделенного направления течения времени, то есть существования стрелы времени. Термодинамическая стрела времени долгое время оставалась предметом споров среди ученых, так как она формулируется в контексте классической равновесной термодинамики, в которой все процессы являются обратимыми и с первого взгляда не должны отличать прямое течение времени от обратного. Решение этого парадокса было дано Людвигом Больцманом, который показал, что начальные условия нарушают симметрию обращения во времени.

Необходимо отметить ограниченность применимости приведенных выше формулировок классической термодинамики, которая связана с упрощенным пониманием строения вещества и соответствующим игнорированием квантовых свойств материи. Таким образом, несмотря на верность классической термодинамики при описании макроскопических тел, возможно создание специфических квантовых состояний материи, которые не будут полностью описываться такими величинами, как температура, внутренняя энергия и энтропия. Теоретически такие системы могут быть сколь угодно большого размера, но на практике взаимодействие их элементов с окружением будет разрушать хрупкое квантовое состояние, что подчинит их поведение законам классической термодинамики.

В работе под руководством Роберто Серра (Roberto Serra) из Федерального университета ABC в Бразилии ученым удалось экспериментально реализовать систему, в которой происходит кажущееся нарушение второго начала термодинамики из-за влияния квантовых эффектов. В опытах участвовали два кубита, между которыми изначально существовала корреляция — они находились в запутанном состоянии. Последующая эволюция системы приводила к разрушению запутанности, что приводило к выделению небольшой энергии, не учитываемой в классическом случае.

Эксперимент состоял в управлении спинами ядер в молекулах хлороформа CHCl₃, растворенных в ацетоне. В рамках одной молекулы хлороформа атомы водорода и углерода, которые в данном случае играют роль кубитов, находятся в термическом контакте, то есть могут обмениваться теплом. Из-за различных свойств их можно независимо нагревать посредством ядерного магнитного резонанса.

Для начала спины выстраивали при помощи сильного внешнего магнитного поля, что создавало между ними квантовую корреляцию (запутанность). После этого система самостоятельно эволюционировала, а за изменением квантовых состояний следили по испускаемому ядрами излучению. В процессе эксперимента корреляция между частицами ослабевала, а температуры кубитов менялись: холодный становился холоднее, а горячий — горячее. После «исчерпания» ресурса корреляции эволюция системы переходила в обычное русло, и температуры начинали выравнивать, а не наращивать различие.

Ученые работали с небольшими величинами: температуры кубитов отличались лишь на миллиардные доли кельвина, а корреляции разрушались в течение тысячных долей секунды. Для проверки эксперимент повторяли без создания корреляции между спинами — в таком случае тепло двигалось в привычном направлении. На практике изученный эффект может в будущем быть использован для охлаждения частей квантового компьютера

Авторы отмечают, что они проводили опыты с исключительно малыми как в плане физического размера, так и в смысле количества взаимодействующих частиц системами, однако теоретические соображения и результаты численного моделирования указывают на возможность наблюдения подобного явления в намного больших системах. Ученые намерены измерить связь величины эффекта с размером системы в последующих работах. Также они пишут, что полученные результаты могут оказаться интересными в контексте космологической стрелы времени, то есть необратимости процессов на масштабе Вселенной.

Второе начало термодинамики тесно связано с мысленным экспериментом о сортировке частиц по температуре на микроскопическом масштабе — демоне Максвелла. Несмотря на изначальную умозрительность, современным ученым удалось добиться и экспериментальных успехов в этой области. В частности, демон Максвелла позволил упорядочить атомы в трехмерной оптической решетке. Также физики исследовали возможность создания машины, которая превращает информацию о частицах в полезную работу.