Des chercheurs en Chine ont démontré un flux de chaleur du froid vers le chaud dans un système quantique, ce qui pourrait nécessiter des mises à jour de la deuxième loi de la thermodynamique. En utilisant une molécule comme qubits, l'équipe a manipulé l'information quantique pour obtenir cette inversion. Cette découverte met en lumière les différences entre la physique classique et quantique.
Dans une étude publiée dans Physical Review Letters, Dawei Lu et ses collègues de la Southern University of Science and Technology en Chine ont exploré la dynamique de la chaleur dans le domaine quantique. Ils ont utilisé une molécule d'acide crotonique, en employant les noyaux de quatre atomes de carbone comme qubits — les unités fondamentales des ordinateurs quantiques. En contrôlant les états quantiques de ces qubits par rayonnement électromagnétique, les chercheurs ont inversé la direction habituelle du flux de chaleur, le dirigeant d'un qubit plus froid vers un plus chaud. Cette inversion contredit la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que la chaleur se déplace naturellement des objets chauds vers les froids, comme observé dans des scénarios quotidiens tels qu'une tasse de café qui refroidit. Cependant, dans les systèmes quantiques, un tel comportement est possible grâce à la 'cohérence', une forme d'information quantique agissant comme source d'énergie. 'En injectant et contrôlant cette information quantique, nous pouvons inverser la direction du flux de chaleur', a expliqué Lu. L'équipe s'est dite enthousiaste quant au résultat. Les lois de la thermodynamique datent du XIXe siècle, précédant la physique quantique d'environ un siècle. Pour réconcilier l'observation, les chercheurs ont introduit le concept de 'température apparente', qui intègre des propriétés quantiques comme la cohérence. Selon cette mesure, la chaleur a circulé de températures apparentes plus élevées vers plus basses, restaurant la cohérence avec la deuxième loi. Roberto Serra, de la Federal University of ABC au Brésil, a commenté que la cohérence agit comme une ressource thermodynamique, similaire à la chaleur dans les moteurs classiques. Il a noté que la thermodynamique traditionnelle suppose l'absence d'accès aux états quantiques microscopiques, entraînant une violation apparente. 'Ceci n'est qu'une violation apparente car nous devons rédiger de nouvelles lois en tenant compte de cet accès', a déclaré Serra. À l'avenir, l'équipe de Lu vise à développer des protocoles pratiques pour gérer la chaleur dans les qubits. Ces avancées pourraient améliorer l'informatique quantique en optimisant les méthodes de refroidissement, répondant à un défi majeur du domaine où la chaleur excessive limite les performances, comme dans les ordinateurs classiques.