Тепло впервые заставили двигаться от холодного к горячему квантовому объекту

Китайские физики впервые в истории смогли заставить тепло двигаться от более «холодного» к более «горячему» квантовому объекту в результате их внутренних взаимодействий, без наличия квантовых связей с окружающей их средой. Это открывает дорогу для точного управления потоками тепла между частицами в квантовых и для создания термодинамических компьютеров, пишут физики в статье в научном журнале Physical Review Letters.

«В соответствии со вторым началом термодинамики, тепло не может переходить само собой от более холодного тела к более теплому. Недавно коллеги показали, что квантовые взаимодействия между внешней средой и наборами частиц могут заставлять тепло двигаться в обратном направлении, что поставило под сомнение эту аксиому. Нам удалось экспериментально показать, что обратного движения тепла можно добиться и при отсутствии квантовых связей между частицами и окружающей средой», - пишут физики.

Как отмечают авторы этого открытия, группа китайских физиков под руководством доцента Южного научно-технологического университета (Китай) Лу Давэя, второй закон термодинамики считается нерушимым правилом, управляющим жизнью Вселенной на всех уровнях. Восемь лет назад ученые из МФТИ показали, что его постулаты могут видимым образом нарушаться внутри некоторых квантовых систем, соединенных с внешним «холодильником».

Реализация всех подобных «нарушений» второго закона термодинамики, как отмечают ученые, требовала контроля и над квантовым состоянием частиц, и над тем, как они изначально взаимодействовали с окружающей средой. Это сильно ограничивало применение подобных феноменов на практике, так как в большинстве случаев подобный двойной контроль крайне сложно или невозможно обеспечить.

Китайским физикам удалось избавиться от этой необходимости при проведении опытов с молекулами кротоновой кислоты, простейшего органического соединения, содержащего в себе четыре атома углерода. Исследователи превратили три из четырех атомов углерода в аналоги кубитов, ячеек памяти квантового компьютера, и заставили их последовательным образом сталкиваться с атомами и молекулами из окружающей среды, что приводит к «нагреву» этих трех атомов.

Эти цепочки взаимодействий заставляют тепло двигаться от изначально «холодного» четвертого атома углерода в молекуле кротоновой кислоты в сторону трех «горячих» атомов углерода, причем направление и скорость движения тепла можно гибко контролировать, меня силу и характер связей между атомами-кубитами. В перспективе, это позволит гибко манипулировать движением тепла внутри квантовых компьютеров, что повысит их защищенность от помех, а также позволит создать так называемые термодинамические вычислители, использующие потоки тепла для переноса и обработки информации.