Исследователи из Nagoya University в Японии и Словацкой академии наук сообщили о новых способах понимания взаимодействия квантовой теории и термодинамики. Они опубликовали работу в журнале "npj Quantum Information", где показали, что квантовая теория формально не исключает нарушение второго закона термодинамики, однако процессы можно сконструировать так, чтобы этот фундаментальный закон оставался в силе. Этот факт раскрывает идею «гармоничного сосуществования» двух логически независимых областей физики.
В центре исследования оказался парадокс «демона Максвелла», предложенный Джеймсом Клерком Максвеллом в 1867 году. Демон, незатратно сортируя быстрые и медленные молекулы в газе, кажется способным самопроизвольно снижать энтропию. С годами появлялись аргументы, что стирание памяти демона требует затраты работы, тем самым сохраняется принцип: «энтропия не убывает», а энергия не может извлекаться из одной термостатной ванны без расхода ресурсов. Тем не менее дискуссии о связи знания наблюдателя и запрета на такое нарушение не утихали.
Группа разработала математическую модель «демонического двигателя» на основе теории квантовых инструментов, описывающей максимально общий вид квантовых измерений. Модель включает три стадии: измерение системы демоном, извлечение механической работы с помощью тепловой среды и стирание памяти демона. При расчетах они использовали энтропию фон Неймана и показатель информационного выигрыша Грёневольда–Одзава.
Полученные уравнения показали, что при некоторых условиях работа, извлекаемая демоном, может превышать сумму затраченной работы, формально нарушая второй закон термодинамики. «Наши результаты продемонстрировали, что при определенных условиях, допустимых квантовой теорией, даже учитывая все затраты, извлекаемая работа может превосходить затраты», — отметил Шинтаро Минагава. Он добавил: «Это бросает вызов представлению о том, что квантовая теория изначально защищена от "демонов", — существуют скрытые области, где демон Максвелла все еще способен творить чудеса».
Другой участник проекта, Хамед Мохаммади, заявил: «Наша работа показывает, что, несмотря на такие уязвимости, любой квантовый процесс можно спроектировать так, чтобы он подчинялся второму закону. Иными словами, квантовая теория потенциально может его нарушать, но фактически не обязана этого делать». Он подчеркнул, что это удивительно «примиряет квантовую механику и термодинамику: они независимы, но никогда не вступают в непримиримый конфликт».
Франческо Бушеми добавил интригующую деталь: «Мы показываем, что квантовая теория логически независима от второго закона термодинамики, поскольку она просто "не знакома" с ним». При этом «любой квантовый процесс можно реализовать без нарушения этого закона, если добавить достаточно дополнительных подсистем и восстановить термодинамическое равновесие». Таким образом, второй закон не накладывает жестких ограничений на измерения, разрешенные квантовой теорией, но всегда остается возможность сохранить глобальный баланс.
Практические последствия касаются проектирования квантовых вычислительных устройств и наномашин, где важно понимать предельные условия, заданные термодинамикой. Исследование иллюстрирует, что инновационные квантовые технологии могут расширять границы фундаментальных законов, но при правильном подходе продолжат соблюдать один из самых прочных столпов физики — закон неубывающей энтропии.
Изображение носит иллюстративный характер
В центре исследования оказался парадокс «демона Максвелла», предложенный Джеймсом Клерком Максвеллом в 1867 году. Демон, незатратно сортируя быстрые и медленные молекулы в газе, кажется способным самопроизвольно снижать энтропию. С годами появлялись аргументы, что стирание памяти демона требует затраты работы, тем самым сохраняется принцип: «энтропия не убывает», а энергия не может извлекаться из одной термостатной ванны без расхода ресурсов. Тем не менее дискуссии о связи знания наблюдателя и запрета на такое нарушение не утихали.
Группа разработала математическую модель «демонического двигателя» на основе теории квантовых инструментов, описывающей максимально общий вид квантовых измерений. Модель включает три стадии: измерение системы демоном, извлечение механической работы с помощью тепловой среды и стирание памяти демона. При расчетах они использовали энтропию фон Неймана и показатель информационного выигрыша Грёневольда–Одзава.
Полученные уравнения показали, что при некоторых условиях работа, извлекаемая демоном, может превышать сумму затраченной работы, формально нарушая второй закон термодинамики. «Наши результаты продемонстрировали, что при определенных условиях, допустимых квантовой теорией, даже учитывая все затраты, извлекаемая работа может превосходить затраты», — отметил Шинтаро Минагава. Он добавил: «Это бросает вызов представлению о том, что квантовая теория изначально защищена от "демонов", — существуют скрытые области, где демон Максвелла все еще способен творить чудеса».
Другой участник проекта, Хамед Мохаммади, заявил: «Наша работа показывает, что, несмотря на такие уязвимости, любой квантовый процесс можно спроектировать так, чтобы он подчинялся второму закону. Иными словами, квантовая теория потенциально может его нарушать, но фактически не обязана этого делать». Он подчеркнул, что это удивительно «примиряет квантовую механику и термодинамику: они независимы, но никогда не вступают в непримиримый конфликт».
Франческо Бушеми добавил интригующую деталь: «Мы показываем, что квантовая теория логически независима от второго закона термодинамики, поскольку она просто "не знакома" с ним». При этом «любой квантовый процесс можно реализовать без нарушения этого закона, если добавить достаточно дополнительных подсистем и восстановить термодинамическое равновесие». Таким образом, второй закон не накладывает жестких ограничений на измерения, разрешенные квантовой теорией, но всегда остается возможность сохранить глобальный баланс.
Практические последствия касаются проектирования квантовых вычислительных устройств и наномашин, где важно понимать предельные условия, заданные термодинамикой. Исследование иллюстрирует, что инновационные квантовые технологии могут расширять границы фундаментальных законов, но при правильном подходе продолжат соблюдать один из самых прочных столпов физики — закон неубывающей энтропии.
