Физики создали термометр для измерения «квантованности»

Оригинальная версия этой истории была опубликована в журнале Quanta Magazine .

Если и есть закон физики, который кажется простым для понимания, так это второй закон термодинамики: тепло самопроизвольно переходит от более горячих тел к более холодным. Но теперь, мягко и почти небрежно, Александр де Оливейра-младший показал мне, что я его совершенно не понимаю.

«Возьмите эту чашку горячего кофе и этот холодный кувшин молока», — сказал бразильский физик, когда мы сидели в кафе в Копенгагене. — «Приведите их в соприкосновение, и, конечно же, тепло потечёт от горячего объекта к холодному, как впервые официально заявил немецкий учёный Рудольф Клаузиус в 1850 году». Однако, как объяснил де Оливейра, в некоторых случаях физики обнаружили, что законы квантовой механики могут направлять тепловой поток в противоположном направлении: от холодного к горячему.

Это на самом деле не означает, что второй закон не работает, добавил он, пока его кофе успокаивающе остывал. Просто выражение Клаузиуса — это «классический предел» более полной формулировки, требуемой квантовой физикой.

Физики начали понимать всю тонкость этой ситуации более двух десятилетий назад и с тех пор изучают квантово-механическую версию второго начала. Де Оливейра, научный сотрудник Технического университета Дании, и его коллеги показали , что «аномальный тепловой поток», возникающий в квантовых масштабах, может иметь удобное и оригинальное применение.

По их словам, это может служить простым методом обнаружения «квантованности» — например, определения того, находится ли объект в квантовой «суперпозиции» нескольких возможных наблюдаемых состояний или что два таких объекта запутаны, причем состояния взаимозависимы, — не разрушая эти тонкие квантовые явления. Такой диагностический инструмент может быть использован для того, чтобы убедиться, что квантовый компьютер действительно использует квантовые ресурсы для выполнения вычислений. Он может даже помочь обнаружить квантовые аспекты силы тяжести, одной из самых сложных задач современной физики. Всё, что нужно, говорят исследователи, — это подключить квантовую систему ко второй системе, которая может хранить информацию о ней, и к радиатору: телу, способному поглощать большое количество энергии. С помощью такой установки можно увеличить передачу тепла к радиатору, превысив допустимый уровень в классической теории. Просто измерив температуру радиатора, можно обнаружить наличие суперпозиции или запутанности в квантовой системе.

Помимо практической пользы, исследование демонстрирует новый аспект глубокой истины термодинамики: то, как тепло и энергия преобразуются и перемещаются в физических системах, тесно связано с информацией — тем, что известно или может быть известно об этих системах. В данном случае мы «расплачиваемся» за аномальный тепловой поток, жертвуя сохранённой информацией о квантовой системе.

«Мне нравится идея, что термодинамические величины могут быть индикаторами квантовых явлений», — сказала физик Николь Юнгер Халперн из Мэрилендского университета. «Эта тема фундаментальна и глубока».

Связь между вторым законом термодинамики и информацией была впервые исследована в XIX веке шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. К огорчению Максвелла, второй закон Клаузиуса, казалось, подразумевал, что очаги тепла будут рассеиваться по всей Вселенной до тех пор, пока не исчезнут все различия температур. В процессе этого полная энтропия Вселенной — грубо говоря, мера того, насколько она неупорядочена и однообразна — будет неумолимо расти. Максвелл понимал, что эта тенденция в конечном итоге устранит всякую возможность использования тепловых потоков для выполнения полезной работы, и Вселенная погрузится в стерильное равновесие, пронизанное равномерным жужжанием теплового движения: «тепловая смерть». Этот прогноз был бы достаточно тревожным для кого угодно. Он был анафемой для набожного христианина Максвелла. Но в письме к своему другу Питеру Гатри Тейту в 1867 году Максвелл утверждал, что нашел способ «выковырять дыру» во втором законе.

«Для самодействующей машины невозможно без посторонней помощи передавать тепло от одного тела к другому, находящемуся при более высокой температуре», — писал Рудольф Клаузиус (на немецком языке) в 1850 году. Это было первое выражение второго закона термодинамики.

Фотография: Беттманн/Getty Images

Он представил себе крошечное существо (позже названное демоном), способное видеть движение отдельных молекул в газе. Газ заполнял бы коробку, разделённую на две части стенкой с люком. Выборочно открывая и закрывая люк, демон мог бы изолировать быстро движущиеся молекулы в одном отсеке, а медленно движущиеся – в другом, создавая соответственно горячий и холодный газ. Действуя на основе собранной им информации о движении молекул, демон уменьшал энтропию газа, создавая температурный градиент, который можно было использовать для выполнения механической работы, например, для перемещения поршня.

Учёные были уверены, что демон Максвелла на самом деле не может нарушить второй закон, но потребовалось почти 100 лет, чтобы понять, почему это не так. Ответ заключается в том, что информация о молекулярных движениях, которую демон собирает и хранит, в конечном итоге заполнит его конечную память. Для продолжения работы его память необходимо стереть и перезагрузить. Физик Рольф Ландауэр показал в 1961 году, что это стирание сжигает энергию и производит энтропию — больше энтропии, чем та, которая уменьшается в результате сортировки демоном. Анализ Ландауэра установил эквивалентность между информацией и энтропией, подразумевая, что сама информация может действовать как термодинамический ресурс: её можно преобразовать в работу. Физики экспериментально продемонстрировали это преобразование информации в энергию в 2010 году.

Неудовлетворенный вторым законом термодинамики, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент о всезнающем демоне, который и сегодня приносит открытия.

Иллюстрация: Коллекционер гравюр/Изображения наследия

Но квантовые явления позволяют обрабатывать информацию способами, недопустимыми в классической физике, — это и есть основа таких технологий, как квантовые вычисления и квантовая криптография. И именно поэтому квантовая теория противоречит традиционному второму началу.

Запутанные квантовые объекты имеют взаимную информацию: они коррелируют, поэтому мы можем обнаружить свойства одного, глядя на другой. Само по себе это не так уж странно; если вы посмотрите на одну из пары перчаток и обнаружите, что она левая, вы знаете, что другая правая. Но пара запутанных квантовых частиц отличается от перчаток определенным образом: в то время как ориентация перчаток уже фиксирована до того, как вы посмотрите, для частиц это не так, согласно квантовой механике. До того, как мы их измерим, не решено, какое значение наблюдаемого свойства имеет каждая частица в запутанной паре. На этом этапе единственное, что мы можем знать, — это вероятности возможных комбинаций значений, таких как 50 процентов лево-право и 50 процентов право-лево. Только когда мы измеряем состояние одной из частиц, эти возможности разрешаются в определенный результат. В этом процессе измерения запутанность разрушается.

Если молекулы газа запутаны таким образом, то демон Максвелла может манипулировать ими эффективнее, чем если бы все молекулы двигались независимо. Если, например, демон знает, что любая быстро движущаяся молекула, которую он видит, коррелирует таким образом, что буквально через мгновение за ней последует другая быстрая молекула, демону не нужно беспокоиться о наблюдении за второй частицей, прежде чем открыть люк и впустить её. Термодинамическая цена (временного) нарушения второго закона термодинамики снижается.

В 2004 году квантовые теоретики Часлав Брукнер из Венского университета и Влатко Ведрал , работавший тогда в Имперском колледже Лондона, отметили , что это означает, что макроскопические термодинамические измерения могут быть использованы в качестве «свидетелей» наличия квантовой запутанности между частицами. Они показали, что при определённых условиях теплоёмкость системы или её реакция на приложенное магнитное поле должны нести на себе отпечаток запутанности, если она присутствует.

В том же духе другие физики подсчитали , что из нагретого тела можно извлечь больше работы, если в системе присутствует квантовая запутанность, чем если она является чисто классической.

А в 2008 году физик Хоссейн Партови из Калифорнийского государственного университета обнаружил особенно впечатляющее следствие того, как квантовая запутанность может подорвать предубеждения, основанные на классической термодинамике. Он понял, что наличие запутанности может фактически обратить вспять спонтанный поток тепла от горячего объекта к холодному, по-видимому, опровергая сам второй закон.

Это обращение является особым видом охлаждения, сказал Юнгер Халперн. И как обычно с охлаждением, оно не дается даром (и поэтому по-настоящему не подрывает второй закон). Классически охлаждение объекта требует работы: мы должны перекачивать тепло «неправильным» путем, потребляя топливо, тем самым возмещая потерянную энтропию, делая холодный объект холоднее, а горячий объект горячее. Но в квантовом случае, сказал Юнгер Халперн, вместо того, чтобы сжигать топливо для достижения охлаждения, «вы сжигаете корреляции». Другими словами, по мере распространения аномального теплового потока запутанность разрушается: частицы, которые изначально имели коррелированные свойства, становятся независимыми. «Мы можем использовать корреляции как ресурс для перемещения тепла в противоположном направлении», сказал Юнгер Халперн.

Влатко Ведрал является одним из авторов идеи использования термодинамических измерений в качестве «свидетеля» для выявления наличия квантовой запутанности между частицами.

Фотография: предоставлена ​​Влатко Ведралом

По сути, топливом здесь является сама информация: а именно взаимная информация запутанных горячих и холодных тел.

Два года спустя Дэвид Дженнингс и Терри Рудольф из Имперского колледжа Лондона прояснили ситуацию. Они показали, как второй закон термодинамики можно переформулировать, включив в него случай взаимной информации, и рассчитали пределы изменения и даже обращения классического теплового потока вспять за счёт квантовых корреляций.

Когда в игру вступают квантовые эффекты, второй закон не так прост. Но можем ли мы сделать что-то полезное, используя то, как квантовая физика ослабляет ограничения термодинамических законов? Это одна из целей дисциплины, называемой квантовой термодинамикой, в рамках которой некоторые исследователи стремятся создать квантовые двигатели, работающие эффективнее классических, или квантовые батареи, которые заряжаются быстрее.

Патрик Липка-Бартосик из Центра теоретической физики Польской академии наук искал практические приложения в другом направлении: используя термодинамику в качестве инструмента для исследования квантовой физики. В прошлом году он и его коллеги увидели, как реализовать идею Брукнера и Ведрала 2004 года об использовании термодинамических свойств в качестве свидетеля квантовой запутанности. Их схема включает в себя горячие и холодные квантовые системы, которые коррелируют друг с другом, и третью систему, которая служит посредником потока тепла между ними. Мы можем представить себе эту третью систему как демона Максвелла, за исключением того, что теперь у него есть «квантовая память», которая сама может быть запутана с системами, которыми он манипулирует. Запутанность с памятью демона эффективно связывает горячую и холодную системы, так что демон может сделать вывод об одной из них по свойствам другой.

Патрик Липка-Бартосик исследовал, как использовать термодинамические измерения для обнаружения квантовых эффектов.

Фотография: Алисия Липка-Бартосик.

Такой квантовый демон может действовать как своего рода катализатор, способствуя передаче тепла, используя корреляции, недоступные иным способом. То есть, будучи связанным с горячими и холодными объектами, демон может систематически определять и использовать все их корреляции. И, опять же, подобно катализатору, эта третья система возвращается в исходное состояние после завершения теплообмена между объектами. Таким образом, этот процесс может усилить аномальный тепловой поток до уровня, недостижимого без такого катализатора.

В статье де Оливейры, опубликованной в этом году в соавторстве с Липкой-Бартосик и Джонатаном Бором Браском из Технического университета Дании, используются некоторые из этих идей, но с одним существенным отличием: эта установка превращается в своего рода термометр для измерения квантовости. В более ранней работе демоническая квантовая память взаимодействовала с коррелированной парой квантовых систем: горячей и холодной. Но в последней работе она располагается между квантовой системой (например, массивом запутанных квантовых битов, или кубитов, в квантовом компьютере) и простым радиатором, с которым квантовая система не связана напрямую.

Поскольку память запутана как с квантовой системой, так и со стоком, она снова может катализировать тепловой поток между ними за пределами того, что возможно классически. В этом процессе запутанность внутри квантовой системы преобразуется в дополнительное тепло, которое поступает в сток. Таким образом, измерение энергии, хранящейся в стоке тепла (сродни считыванию его «температуры» ), показывает наличие запутанности в квантовой системе. Но поскольку система и сток сами по себе не запутаны, измерение не влияет на состояние квантовой системы. Этот гамбит обходит печально известный способ, которым измерения разрушают квантовость. «Если бы вы просто попытались сделать измерение на [квантовой] системе напрямую, вы бы разрушили ее запутанность еще до того, как процесс смог бы даже развернуться», - сказал де Оливейра.

Физики Алекссандре де Оливейра-младший (слева) и Джонатан Бор Браск (справа) совместно с Патриком Липкой-Бартосиком работали над новой схемой обнаружения квантовости без ее разрушения.

Фотография: Йонас Шу Неергаард-Нильсен.

Преимущество новой схемы в простоте и универсальности, отметил Ведрал, ныне работающий в Оксфордском университете. «Эти протоколы верификации очень важны», – сказал он. Всякий раз, когда какая-либо компания, занимающаяся квантовыми компьютерами, делает новое заявление о производительности своего новейшего устройства, по его словам, всегда возникает вопрос: как (и действительно ли) они знают, что запутанность между кубитами помогает вычислениям? Теплоотвод мог бы служить детектором таких квантовых явлений исключительно благодаря изменению его энергии. Чтобы реализовать эту идею, можно назначить один квантовый бит памятью, состояние которой раскрывает состояние других кубитов, а затем связать этот кубит памяти с набором частиц, которые будут служить теплоотводом, энергию которого можно измерить. (Одно из условий, добавил Ведрал, заключается в том, что необходимо очень хорошо контролировать систему, чтобы убедиться в отсутствии других источников теплового потока, искажающих результаты измерений. Другое заключается в том, что этот метод не будет обнаруживать все запутанные состояния.)

Де Оливейра считает, что система для экспериментальной проверки их идеи уже существует. Он и его коллеги обсуждают эту цель с исследовательской группой Роберто Серры из Федерального университета ABC в Сан-Паулу, Бразилия. В 2016 году Серра и его коллеги использовали магнитные ориентации, или спины, атомов углерода и водорода в молекулах хлороформа в качестве квантовых битов, между которыми можно было передавать тепло.

Де Оливейра утверждает, что с помощью этой установки можно будет использовать квантовое поведение — в данном случае когерентность, то есть синфазное изменение свойств двух или более спинов — для изменения теплового потока между атомами. Когерентность кубитов критически важна для квантовых вычислений, поэтому возможность её проверки путём обнаружения аномального теплообмена может быть полезна.

Ставки могут быть ещё выше. Несколько исследовательских групп пытаются разработать эксперименты, чтобы определить, является ли гравитация квантовой силой, подобной трём другим фундаментальным силам. Некоторые из этих исследований направлены на поиск квантовой запутанности между двумя объектами, создаваемой исключительно их взаимным гравитационным притяжением. Возможно, исследователи смогут исследовать такую ​​запутанность, вызванную гравитацией, проведя простые термодинамические измерения, тем самым подтвердив (или опровергнув), что гравитация действительно квантована.

Чтобы изучить один из самых глубоких вопросов физики, Ведрал сказал: «Разве не было бы замечательно, если бы можно было сделать что-то столь же простое и макроскопическое, как это?»

Оригинальная история перепечатана с разрешения журнала Quanta Magazine , редакционно-независимого издания Фонда Саймонса , миссия которого заключается в повышении уровня понимания науки среди общественности путем освещения научных разработок и тенденций в области математики, физических и биологических наук.