Квантовый демон Максвелла получил отрицательную информацию

Физики создали установку, в которой информация о перемещении частиц может превращаться в полезную работу. Это стало возможным благодаря законам квантовой механики, которые разрешают существовать демону Максвелла — гипотетическому устройству, которое может нарушать второй закон термодинамики. Результаты исследования изложены в журнале Physical Review Letters.

Термодинамика занимается общими свойствами систем тел и тому, как разные виды энергии в них превращаются друг в друга. Она базируется на трех основных принципах, получивших названия «начал». В частности, второе начало термодинамики утверждает, что энтропия замкнутой системы не уменьшается. Энтропия описывает возможное количество состояний данной системы. Иными словами, второе начало гласит, что замкнутая система всегда движется в сторону состояния, которое можно реализовать как можно большим количеством способов. В случае газа максимальная энтропия будет в том состоянии, при котором все частицы равномерно распределены по всему доступному объему, так как изменение координаты любой частицы практически не изменит систему. В то же время у системы, в которой молекулы собрались в одной части, энтропия будет низкой, так как почти любое перемещение частицы сделает ее непохожей на оригинальную.

Физик XIX века Джеймс Максвелл предложил мысленный эксперимент, впоследствии названный «демоном Максвелла». Его суть заключается в том, что некий механизм будет находиться в непроницаемой мембране посередине сосуда с газом. Демон будет пропускать в одну сторону лишь молекулы с большой скоростью, а в другую — только с маленькой. В результате через некоторое время в одной половине будет холодный газ, а в другой — горячий, то есть энтропия системы уменьшится, что противоречит второму началу термодинамики. Затем горячий газ можно использовать для совершения полезной работы. Однако для того, чтобы нормально функционировать, демону нужно знать координаты и скорости всех частиц. Таким образом можно превращать информацию о частицах в полезную работу.

В новой работе физики решили по аналогии с термодинамическим создать квантового демона Максвелла, который следит не за скоростями частиц, а за тем, находятся ли они в возбужденном состоянии. Более того, ученые решили усложнить задачу, поместив частицы в запутанное состояние, то есть в суперпозицию возбужденного и основного состояний.

Для этого они использовали «слабые измерения», которые позволяют получить немного информации о системе, но при этом не разрушают состояние суперпозиции, лишь слегка изменяя его. В результате они смогли получить достаточно точную информацию о конкретном состоянии суперпозиции. Для этого нужно облучать частицы фотонами и определять параметры отраженных частиц. «Однако демон пропускает некоторые фотоны: он улавливает около половины, другая половина теряется», — говорит соавтор работы Катер Мерч из Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США). Тем не менее, все фотоны провзаимодействовали с системой, изменили ее состояние, но информацию об этом исследователи получили не от всех частиц. В результате в некоторых случаях после облучения физики знали о системе меньше, чем они знали изначально.

«Работают ли законы термодинамики макроскопических, классических систем в случае квантовой суперпозиции? — продолжает Мерч. — Мы выяснили, что да, работают, за исключением одного странного обстоятельства: информация может принимать отрицательные значения». Авторы подчеркивают, что их работа говорит о том, что настоящий квантовый компьютер построить довольно сложно. В случае классического компьютера достаточно просто охлаждать его при нагревании, а если речь идет о квантовом, то в таком процессе можно потерять информацию.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.