Hőáram visszafelé – csak kvantumos rendszerekben
Fontos megjegyezni, hogy bár ez a szokatlan hőáramlás nem sérti a termodinamika második törvényét, csak annak a kvantumvilágra érvényes változatát alkalmazza. Klasszikus szinten Rudolf Clausius 1850-ben kimondta, hogy hő magától nem áramlik hidegebbről melegebbre, de a kvantumfizika szerint ez a megfogalmazás csupán közelítés.
A brazil Alexandre de Oliveira Jr. és kollégái kimutatták, hogy ezt a kvantum-szintű furcsa hőátvitelt felhasználhatjuk kvantumos tulajdonságok – például szuperpozíció vagy összefonódás – kimutatására. Vagyis egy mindenki számára ismert, könnyen mérhető fizikai mennyiséggel, például egy hőelnyelő test hőmérsékletének változásával is ellenőrizhető, hogy egy rendszer valóban „kvantumos-e”. Ezzel akár a kvantumszámítógépek ellenőrzése is egyszerűbbé válhat.
Információ kontra entrópia: Maxwell démonja él!
A hő és az információ kapcsolatát már a 19. században is vizsgálták a tudósok. James Clerk Maxwell gondolatkísérletében egy „démon” – egy parányi lény – információt gyűjt a gázmolekulák mozgásáról, és ezzel hidegebb és melegebb részeket tud létrehozni, mintha kijátszaná a második törvényt. A részletek csak később derültek ki: a démon memóriáját újra kell inicializálni, ami energiát igényel, és entrópiát termel. Rolf Landauer bebizonyította, hogy az információ és az entrópia ekvivalensek, és a valós folyamatokban végül nem lehet veszteség nélkül „csodát” tenni.
Ennek ellenére a kvantumjelenségek itt új gondolkodásmódot tesznek lehetővé: az információ feldolgozása kvantumrendszerekben máskor és máshogy zajlik, mint a klasszikus világban. Ez teszi lehetővé korszerű eszközök, például kvantumszámítógépek vagy titkosító rendszerek fejlesztését.
Kvantum-összefonódás: amikor a hideg forróbb lesz a melegnél
A kvantum-összefonódás miatt két részecske sorsa összefügghet egymással úgy, hogy nincs közöttük közvetlen kapcsolat. Más szóval, ha két összefonódott részecske van, és az egyiket megmérjük, azonnal tudjuk a másik tulajdonságát is, akkor is, ha az még nem dőlt el.
Ez a rejtélyes kapcsolat lehetővé teszi, hogy „információt” használjunk a hőátvitelhez, nem csak energiát. A démon, aki tudja, hogy ha most átenged egy gyors (meleg) részecskét, utána valószínűleg egy újabb gyors is következik, hatékonyabban tudja szabályozni a folyamatot. Itt magát az összefonódást használhatjuk fel arra, hogy a hő a fizikai szabályoknak maximálisan megfelelő módon áramoljon – sőt, akár fordítva is, mint ahogy azt várnánk.
2008-as kutatások szerint megfelelő összefonódás esetén a hő magától a hidegebb helyre kerülhet a melegebbről – de hogy ez se legyen teljesen „ingyen”, ára az összefonódás elvesztése.
Kvantumdémonok: amikor a termodinamika belenéz a kvantumvilágba
A modern kutatási terület, a kvantumtermodinamika, épp arra koncentrál, hogy mindezt gyakorlati célokra is felhasználhassuk. Lehetnek hatékonyabb kvantummotorok, gyorsabban tölthető kvantumakkumulátorok, vagy éppen a kvantum-jelleg kimutatása termodinamikai mérésekkel.
Patryk Lipka-Bartosik és társai nemrég javasolták, hogy egy kvantuminformációval „felturbózott” Maxwell-démon közvetíthetne hőt két rendszer között, miközben saját maga visszatér eredeti állapotába – vagyis katalizátorként viselkedne, és a folyamat végén újra felhasználható lenne.
De Oliveira, Lipka-Bartosik és kollégáik még egy lépéssel tovább mentek: a démonként működő kvantummemóriát egy kvantumrendszer és egy egyszerű hőelnyelő (például egy harmadik rendszer vagy tartály) közé helyezték. A trükk az, hogy a kvantumrendszer és a hőelnyelő nincsenek közvetlenül összefonódva, csak a memórián keresztül kapcsolódnak, így ha mérjük, mennyi hő került a hőelnyelőbe, a kvantumrendszer „kvantumosságára” következtethetünk – anélkül, hogy magát a kvantumrendszert zavarnánk meg. Ez óriási előny, hiszen a kvantumrendszer a méréstől hajlamos elveszíteni minden különleges tulajdonságát.
Gyakorlati felhasználás és jövőbeli célok
Mindezt figyelembe véve a kvantum-hőmérő alkalmazható lehet kvantumszámítógépek valódi teljesítményének ellenőrzésére: így eldönthető, hogy a „kvantumos gyorsulás” valóban az összefonódásnak köszönhető-e, nem csak valamilyen klasszikus trükknek. Az ötlet szerint egyetlen kvantumbitet kell „memóriának” kinevezni, amit egy egyszerű hőelnyelőhöz kapcsolunk, és az ott mérhető energia máris árulkodik arról, mi zajlik a kvantumrendszerben.
A megközelítés kipróbálható is: de Oliveira és munkatársai már egyeztetnek brazil kísérleti fizikusokkal, akik korábban kloroformmolekulákban található szén- és hidrogénatomok spinjein mutatták ki a kvantum-hőátadást (ebben az esetben a hőátadás a kvantumbitek koherenciájának köszönhető). A kvantumszámítógépek alapját adó qubitek koherenciájához hasonló „trükkök” így egyszerű hőméréssel igazolhatóvá válhatnak.
A távlati tervek azonban még merészebbek: a kutatók azt remélik, hogy ezzel a módszerrel eldönthető lesz, hogy a gravitáció (sugárzó név: Elon Musk még bele nem szól?) kvantumos vagy klasszikus jellegű-e, pusztán a hőcsere alapján – vagyis egy „hőmérővel” választ kaphatunk a fizika egyik legmélyebb kérdésére.
Mindezek ellenére, bár a kvantummechanika néha teljesen átírja a klasszikus elveket, a lényegi mondanivaló változatlan: az információ maga is energiaforrás lehet – ráadásul ezt most már tényleg lehet mérni is.
