中国の研究者らが量子系で冷たい方から熱い方へ熱が流れることを実証し、熱力学第二法則の更新を迫る可能性がある。分子をキューbitとして用い、チームは量子情報を操作してこの逆転を達成した。この発見は古典物理学と量子物理学の違いを強調している。
Physical Review Lettersに掲載された研究で、中国Southern University of Science and TechnologyのDawei Lu氏と同僚らは、量子領域での熱ダイナミクスを探求した。彼らはクロトン酸の分子を使用し、4つの炭素原子の原子核を量子コンピュータの基本単位であるキューbitとして用いた。電磁放射によるこれらのキューbitの量子状態制御により、研究者らは典型的な熱流の方向を逆転させ、より冷たいキューbitからより熱いものへ熱を流した。 この逆転は、熱が自然に高温物体から低温物体へ移動するという熱力学第二法則に矛盾する。これは日常の例としてコーヒーカップが冷めるような状況で見られる。しかし、量子系では「コヒーレンス」と呼ばれる量子情報がエネルギー源として働き、このような振る舞いが可能になる。「この量子情報を注入・制御することで、熱流の方向を逆転できる」とLu氏は説明した。チームはこの結果に興奮を表明した。 熱力学法則は19世紀に生まれ、量子物理学より約1世紀早かった。この観測を調和させるため、研究者らはコヒーレンスなどの量子特性を組み込んだ「見かけの温度」の概念を導入した。この尺度では、熱は高い見かけの温度から低いものへ流れ、第二法則との整合性が回復した。 ブラジルのFederal University of ABCのRoberto Serra氏は、コヒーレンスが古典エンジンにおける熱に似た熱力学的資源として機能すると指摘した。伝統的な熱力学は微視的量子状態へのアクセスがないことを前提としており、表面的な違反が生じるという。「これは表面的な違反に過ぎず、このアクセスを考慮した新しい法則を書く必要がある」とSerra氏は述べた。 今後、Lu氏のチームはキューbitの熱管理のための実用的プロトコルを開発することを目指す。このような進歩は冷却手法の改善により量子コンピューティングを強化し、過剰熱が性能を制限する分野の主要課題に対処するもので、従来型コンピュータと同様だ。