В МФТИ "вызвали" квантового демона Максвелла

Международная группа учёных под руководством Гордея Лесовика из МФТИ выяснила, что в квантовой системе энтропия может убывать вопреки второму началу термодинамики. Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports.

По второму началу термодинамики тепловая энергия не может переходить от менее горячих объектов к более горячим. На бытовом уровне это означает, что горячий чайник, остывая, может нагреть комнату, но остывающая комната не может нагреть горячий чайник.

По теореме, предложенной Людвигом Больцманом, величина энтропии в замкнутой системе, состояние которой описывается соответствующим кинетическим уравнением, либо растёт, либо остаётся постоянной. Долгое время эту теорему (H-теорему) не удавалось доказать в рамках традиционной статистической физики без привлечения дополнительных ограничений. После появления квантовой механики учёные предположили, что доказательства теоремы связаны с квантовыми явлениями. В квантовой теории информации были получены важные результаты, описывающие условия, при которых энтропия системы не убывает. Группа под руководством Лесовика впервые сформулировала H-теорему на языке квантовой физики и в течение нескольких лет пыталась найти её доказательство.  

— Мы пытались доказывать: вроде бы получалось, потом обнаруживалась "дырка", мы её закрывали, затем "дырки" появлялись опять, и в конце концов мы поняли, что это неспроста, что, может быть, эта теорема и не верна для квантовой системы, и, даже если система энергетически изолирована, этого недостаточно, чтобы энтропия не убывала, — рассказывает Гордей Лесовик.

Согласно представленной физиками теоретической модели и расчётам деталей её функционирования, получается, что в замкнутой квантовой системе за счёт взаимодействия между предварительно запутанными частицами снижение энтропии может происходить без передачи энергии. Как пример они приводят распространение частиц в обычном проводе с тремя проводниками (на рисунке). Изначально состояние частицы, распространяющейся по проводу, было максимально хаотично: она имела много степеней свободы. После пролёта через область взаимодействия частицы со спином её состояние стало более чистым в квантовомеханическом смысле. В итоге те квантовые запутанности, которые у этой частицы были с другими степенями свободы, были частично убраны. То есть общая энтропия в системе снизилась, хотя передачи энергии в ней не произошло.

В результате учёные нашли противоположное тому, что искали. Они обнаружили условия, при которых второй закон термодинамики может локально нарушаться. Согласно использованной модели, это происходит в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — длиной в сантиметры или даже метры. Существенное различие работы их "квантового демона Максвелла" от классического состоит в том, что если в классической физике уменьшение энтропии связано с передачей тепловой энергии, то в квантовом мире снижение энтропии может происходить без передачи энергии, за счёт квантовой запутанности. Авторы работы отмечают, что без энергии может происходить квантовомеханическое вычищение состояния рабочего кубита с помощью другого кубита, играющего роль квантового демона Максвелла. В классической механике такое вычищение состояний нуждается в обмене энергией, а в квантовой — нет.

В качестве примера системы, способной уменьшать энтропию на масштабе метров, можно привести волновод значительный длины, помещенный в криостат. Этот волновод работает для обеспечения связи (в микроволновом диапазоне) между трансмонами. Трансмон — это два фрагмента сверхпроводника, соединённых туннельными контактами. Авторы работы отмечают, что как раз сейчас для реализации эксперимента по проверке нарушения неравенств Белла в Цюрихе собираются охладить до долей кельвина 12 метров такого волновода. Нарушение неравенства Белла позволяет провести эксперимент, статистические результаты которого подтвердят либо опровергнут наличие предсказанного эффекта уменьшения энтропии без затраты энергии. Если он подтвердится, это откроет возможность создания квантовых холодильников и двигателей нового типа.