Квантовый демонический двигатель не обязан нарушать законы термодинамики, чтобы работать

Второй закон термодинамики кажется поистине универсальным.

Он лежит в основе всей классической реальности. Именно из-за него проще создавать беспорядок и невозможен вечный двигатель, из-за него мы стареем и, возможно, даже время движется только в одном направлении тоже из-за него. Существовали предположения, что квантовый мир может избежать ограничений этого закона. Новая работа показывает, что это действительно возможно, но, похоже, квантовой механике вовсе не нужно нарушать этот важнейший закон, чтобы работать.

В качестве примера международная группа ученых рассматривает парадокс демона Максвелла, вероятно, самый известный мысленный эксперимент, связанный со вторым законом термодинамики. Представьте себе две камеры, заполненные газом и разделенные небольшой дверцей. Демон обладает острым зрением и может определять энергию молекул. Открывая и закрывая дверцу, он разделяет холодные и горячие частицы газа, создавая систему с более низкой энтропией – мерой беспорядка системы, – что нарушило бы второй закон.

В классическом мире реалистичный демон не нарушил бы второй закон – существует механическая работа дверцы, информация в сознании демона и т.д. Все это вносит вклад в общую энтропию. Однако оказывается, что в квантовой механике его можно нарушить. Команда разработала «демонический двигатель» – систему, которая может измерять целевую систему, извлекать работу, связывая ее с тепловой средой, а затем стирать свою память, используя эту тепловую среду.

Команда ожидала, что двигатель всегда будет потреблять больше энергии, чем производить. Это краеугольный камень второго закона. Вместо этого им удалось найти теоретические исключения.

«Наши результаты показали, что при определенных условиях, допускаемых квантовой теорией, даже после учета всех затрат, извлеченная работа может превышать затраченную, что, по-видимому, нарушает второй закон термодинамики», – говорит ведущий автор Шинтаро Минагава из Университета Нагои. – «Это открытие было столь же захватывающим, сколь и неожиданным, бросая вызов предположению, что квантовая теория по своей сути защищена от демонов. В ее структуре есть скрытые уголки, где демон Максвелла все еще может творить чудеса».

Вы можете задаться вопросом, почему их работа и это исследование не посвящены захватывающему нарушению второго закона термодинамики или наступлению эры квантовых вечных двигателей. Во-первых, давайте вспомним, что речь все еще идет о теоретических установках!

Команда обнаружила, что да, существуют варианты, при которых квантовые теории могут отклоняться от термодинамики, но также и множество решений, которые, наоборот, соблюдают второй закон. В частности, если протокол системы совместим с термодинамическим поведением, то независимо от квантовой природы, он будет подчиняться закону. Можно создать демонические двигатели, которые не совсем похожи на те, которые вы могли бы ожидать.

«Наша работа показывает, что, несмотря на эти теоретические уязвимости, можно спроектировать любой квантовый процесс так, чтобы он соответствовал второму закону», – объясняет соавтор Хамед Мохаммади. – «Другими словами, квантовая теория потенциально может нарушить второй закон термодинамики, но на самом деле не обязана этого делать. Это устанавливает удивительную гармонию между квантовой механикой и термодинамикой: они остаются независимыми, но никогда принципиально не противоречат друг другу».

Работа действительно интригует. Термодинамика и квантовая теория могут быть независимыми, но взаимосвязанными в объяснении реальности. Это увлекательная область исследований, которая может повлиять как на наше теоретическое понимание природы реальности, так и на технологии, основанные на квантовых теориях.

«В этой статье мы показываем, что квантовая теория действительно логически независима от второго закона термодинамики. То есть она может нарушать закон просто потому, что вообще о нем не „знает“», – добавляет соавтор Франческо Бушеми. – «И все же – и это не менее примечательно – любой квантовый процесс может быть реализован без нарушения второго закона термодинамики. Этого можно добиться, добавляя новые системы до тех пор, пока термодинамический баланс не восстановится».

Исследование опубликовано в журнале NPJ Quantum Information.