Forskare i Kina har visat värme som flyter från kallt till varmt i ett kvantsystem, vilket potentiellt kräver uppdateringar av termodynamikens andra lag. Med en molekyl som qubits manipulerade teamet kvantinformation för att uppnå denna omvändning. Upptäckten belyser skillnader mellan klassisk och kvantfysik.
I en studie publicerad i Physical Review Letters undersökte Dawei Lu och hans kollegor vid Southern University of Science and Technology i Kina värmedynamik i den kvantmekaniska världen. De använde en molekyl av krotonsyra och använde kärnorna hos fyra kolatomer som qubits – de grundläggande enheterna i kvantdatorer. Genom att styra dessa qubits kvanttillstånd med elektromagnetisk strålning vände forskarna den typiska riktningen för värmeflödet och dirigerade det från en kallare qubit till en varmare. Denna omvändning motsäger termodynamikens andra lag, som anger att värme naturligt rör sig från varma till kalla objekt, som i vardagliga situationer som en avkylande kopp kaffe. I kvantsystem är sådant beteende dock möjligt genom 'koherens', en form av kvantinformation som fungerar som energikälla. 'Genom att injicera och styra denna kvantinformation kan vi vända värmeflödesriktningen', förklarade Lu. Teamet uttryckte entusiasm över resultatet. Termodynamikens lagar uppstod på 1800-talet, ungefär ett sekel före kvantfysiken. För att försona observationen införde forskarna begreppet 'skenbar temperatur', som inkluderar kvantiska egenskaper som koherens. Enligt denna mått flöt värmen från högre till lägre skenbara temperaturer och återställde konsistensen med den andra lagen. Roberto Serra vid Federal University of ABC i Brasilien kommenterade att koherens fungerar som en termodynamisk resurs, liknande värme i klassiska motorer. Han noterade att traditionell termodynamik antar ingen tillgång till mikroskopiska kvanttillstånd, vilket leder till en skenbar överträdelse. 'Detta är bara en skenbar överträdelse eftersom vi måste skriva nya lagar med hänsyn till denna tillgång', sade Serra. Framöver siktar Lus team på att utveckla praktiska protokoll för att hantera värme i qubits. Sådana framsteg kan förbättra kvantdatorer genom bättre kylmetoder och adressera en nyckeltalang där överskottsvärme begränsar prestanda, precis som i konventionella datorer.