Учёные заставили тепло идти наоборот. Квантовая хитрость, которую можно
mathnotforyou — 02.10.2025
Если есть физический закон, который кажется предельно ясным, то это второй закон термодинамики: тепло самопроизвольно идёт от горячего к холодному. Но недавно, совершенно спокойно и без нажима, Александр де Оливейра-младший показал мне, что я понимал его слишком наивно.
«Вот кружка с горячим кофе, а вот кувшин холодного молока», — сказал бразильский физик в кафе в Копенгагене. «Поставим их рядом — и, разумеется, энергия потечёт от тёплого к холодному», — как ещё в 1850-м сформулировал Рудольф Клаузиус. Однако, пояснил де Оливейра, бывают ситуации, когда квантовая механика способствует обратной передаче — от холодного к горячему.
Это не отмена второго закона, добавил он, обхватив уже остывающую чашку. Клаузиусовский тезис — лишь классическая граница более широкой, квантовой формулировки.
Ещё в начале 2000-х физики поняли, что «квантовый» второй закон устроен тоньше, и с тех пор активно его исследуют. Теперь де Оливейра, постдок Технического университета Дании, вместе с коллегами показал, что «аномальный тепловой поток» на квантовом уровне можно обернуть на пользу.
Их идея: использовать этот эффект как простой тест «квантовости» — то есть присутствия суперпозиции и запутанности — причём без разрушения этих хрупких состояний. Такой «термодинамический детектор» может проверять, действительно ли квантовый компьютер задействует собственно квантовые ресурсы. В перспективе он может помочь и в поисках квантовых признаков гравитации — одной из самых амбициозных задач современной физики. Схема минимальна: соединить исследуемую квантовую систему с «памятью», способной хранить информацию о ней, и с приёмником тепла (теплоотводом), который может поглощать много энергии. В нужных условиях отвод начинает греться сильнее, чем позволила бы классика. Измерив его нагрев, можно судить о наличии суперпозиции или запутанности в системе.
Помимо практики, работа подчёркивает фундаментальную связь термодинамики с информацией: то, как энергия течёт и превращается, зависит от того, что известно о системе. Цена аномального теплопереноса — утрата накопленной информации о квантовом объекте.
«Мне нравится мысль, что термодинамические величины могут служить указателями квантовых явлений, — сказала Николь Юнгер Халперн из Мэрилендского университета. — Это по-настоящему глубокая тема».
Знание как ресурс
«Самодействующая машина без помощи извне не может передавать тепло от одного тела к другому с более высокой температурой», — писал Рудольф Клаузиус (на немецком языке) в 1850 году. Это было первое формулирование второго закона термодинамики.
Связь второго закона и информации впервые исследовал Джеймс Клерк Максвелл. Его тревожила перспектива «тепловой смерти»: тепловые различия исчезают, энтропия растёт, и полезная работа становится невозможной. В письме Питеру Тейту в 1867 году Максвелл предложил мысленную лазейку: крошечный наблюдатель — «демон» — следит за отдельными молекулами газа в коробке, разделённой перегородкой с люком. Открывая люк лишь для быстрых молекул в одну сторону и медленных — в другую, демон создаёт разность температур, уменьшает энтропию газа и позволяет извлечь работу.
Физики понимали, что нарушить второй закон таким способом нельзя, но строгий ответ родился лишь через столетие. Рольф Ландауэр в 1961 году показал: стирание информации в памяти демона требует энергии и порождает энтропию — больше, чем демон «выигрывает» своей сортировкой. Так была установлена эквивалентность информации и энтропии: информация — тоже термодинамический ресурс, её можно превращать в работу. В 2010-м это преобразование подтвердили экспериментально.
Недовольный вторым законом термодинамики, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент с участием всезнающего демона, который до сих пор даёт пищу для размышлений.
Однако квантовая физика позволяет обращаться с информацией иначе, чем классика. На этом держатся квантовые вычисления и криптография. И именно здесь классическая формула второго закона требует поправок.
Роль корреляций
Запутанные системы имеют взаимную информацию: узнав состояние одного объекта, мы немедленно узнаём о другом. С перчатками аналогия лишь частичная: у перчаток «лево/право» заранее определены, а в квантовом случае значения физических величин фиксируются только при измерении. До измерения существовала лишь суперпозиция вероятностей; акт измерения разрушает запутанность.
Если газовые молекулы запутаны, демон работает эффективнее. К примеру, увидев быструю молекулу и зная, что вот-вот появится ещё одна быстрая, ему не нужно повторное наблюдение, чтобы открыть люк. «Стоимость» временного локального нарушения классического направления теплопереноса уменьшается.
Влатко Ведрал — один из авторов идеи использования термодинамических измерений в качестве «свидетеля» для выявления квантовой запутанности между частицами.
В 2004 году Часлав Брукнер и Влатко Ведрал указали: макроскопические термодинамические величины могут служить «свидетелями» запутанности. Определённые аномалии в теплоёмкости или магнитной восприимчивости сигнализируют о квантовой корреляции.
Позднее другие исследователи показали: при наличии запутанности из тёплого тела можно извлечь больше энергии, чем позволила бы классика.
В 2008 году Хоссейн Партови пошёл дальше: запутанность может обращать поток тепла — оно способно идти от холодного к горячему. На первый взгляд это удар по второму закону, но на деле речь идёт о процессе охлаждения, который никогда не происходит «сам по себе». В классике мы тратим работу (топливо), чтобы перекачать тепло «вверх по градиенту» и компенсировать уменьшение энтропии. В квантовом случае «топливо» — это корреляции. По мере течения аномального потока запутанность расходуется: коррелированные частицы теряют связь. «Мы жжём корреляции, чтобы перегнать тепло против течения», — говорит Халперн.
Иными словами, ресурсом выступает взаимная информация между горячим и холодным телами.
Два года спустя Дэвид Дженнингс и Терри Рудольф переформулировали второй закон так, чтобы учесть вклад взаимной информации, и рассчитали предельную величину модификации (вплоть до инверсии) классического теплопотока, достижимую за счёт квантовых корреляций.
Демон, который «знает»
Квантовые эффекты делают второй закон куда менее прямолинейным. Можно ли извлечь из этого практическую пользу? Этим занимается квантовая термодинамика: одни ищут квантовые двигатели с повышенной эффективностью и «квантовые батареи», другие — используют термодинамику как инструмент диагностики квантовых свойств.
Патрик Липка-Бартосик из Центра теоретической физики ПАН как раз пошёл вторым путём. В прошлом году он с коллегами описал реализацию идеи Брукнера—Ведрала: использовать термодинамические величины как свидетелей запутанности. В их схеме две квантовые системы — горячая и холодная — связаны между собой, а теплообмен обеспечивает третья подсистема. Её удобно мыслить «квантовым демоном» с собственной квантовой памятью, способной запутываться с обеими системами. Благодаря связи с памятью горячая и холодная системы фактически объединяются: зная о одной, демон узнаёт о другой.
Патрик Липка-Бартосик исследовал возможности использования термодинамических измерений для обнаружения квантовых эффектов.
Такой демон ведёт себя как катализатор: он извлекает и использует корреляции, которые без него недоступны, а по завершении процесса возвращается в исходное состояние. В результате аномальный теплоперенос усиливается по сравнению со случаем без «катализатора».
Свежая работа де Оливейры, выполненная вместе с Липкой-Бартосиком и Джонатаном Бором Браском (ТУ Дании), использует эти идеи с важным поворотом и превращает установку в своеобразный «термометр квантовости». Раньше квантовая память демона взаимодействовала с парой связанных систем — горячей и холодной. Теперь её помещают между исследуемой квантовой системой (например, набором запутанных кубитов) и простым приёмником тепла, который напрямую с системой не коррелирован.
Память, будучи связанной и с системой, и с приёмником, снова катализирует невозможный в классике теплообмен между ними. В ходе процесса внутренняя запутанность системы преобразуется в дополнительное тепло, уходящее в приёмник. Измерив прибавку энергии (условно — «температуру») приёмника, мы узнаём о наличии запутанности, не вторгаясь в саму систему: поскольку система и приёмник напрямую не запутаны, измерение не разрушает квантовые ресурсы. Это изящный обход известной проблемы «измерение убивает квантовость».
«Попробуй измерить систему напрямую — и уничтожишь запутанность ещё до начала процесса», — поясняет де Оливейра.
По словам Ведрала (ныне в Оксфорде), сила новой схемы — в её универсальности и простоте. «Протоколы верификации крайне важны, — говорит он. — Когда производитель квантовых компьютеров заявляет о прорыве, неизбежно возникает вопрос: насколько они уверены, что вычислительное преимущество обеспечивается именно запутанностью?» В предлагаемой схеме теплоотвод служит детектором: мы просто фиксируем изменение его энергии.
Практически это можно реализовать, выделив один кубит как память, чьё состояние отражает состояние остальных кубитов, и связав этот «памятный» кубит с ансамблем частиц-приёмником, энергию которого удобно измерять. Ведрал, впрочем, предупреждает: требуется тончайший контроль, чтобы исключить посторонние каналы теплопереноса; к тому же метод не улавливает все возможные типы запутанности.
Де Оливейра уверяет, что платформа для эксперимента уже есть. Его команда обсуждает демонстрацию с группой Роберто Серры (Федеральный университет ABC, Сан-Паулу). В 2016 году Серра и коллеги использовали спины атомов углерода и водорода в молекулах хлороформа как кубиты и показали перенос тепла между ними.
Физики Александр де Оливейра-младший (слева) и Джонатан Бор Браск (справа) совместно с Патриком Липкой-Бартосиком разработали новую схему обнаружения квантовых свойств без их разрушения.
По словам де Оливейры, на такой установке можно задействовать квантовую когерентность — согласованную эволюцию нескольких спинов — чтобы модифицировать теплопоток между атомами. Когерентность — ключ к работоспособности квантовых процессоров, поэтому возможность проверять её через аномальный теплоперенос особенно ценна.
Ставки потенциально ещё выше. Несколько групп пытаются экспериментально выяснить, квантова ли гравитация, как и остальные фундаментальные взаимодействия. Одна из стратегий — поиск запутанности между двумя объектами, наведённой исключительно их гравитационным притяжением. Возможно, такую гравитационно-индуцированную запутанность удастся выявлять простыми термодинамическими измерениями — тем самым подтвердив (или опровергнув) квантовую природу гравитации.
«Было бы замечательно, если бы столь сложный вопрос удалось проверить чем-то настолько же простым и макроскопическим», — говорит Ведрал.
Поддержите автора на Дзен-премиум
Если вам нравится такой научпоп про математику, приглашаю в Дзен-премиум — там уже доступны четыре больших материала, в которых математика раскрывается совершенно с разных сторон:
- «Когда числа становятся больше Вселенной: загадка занятого бобра»
- «Трактат из окопа: как солдат Витгенштейн перевернул философию математики»
- «Машина катастроф включена: математика конца тёплой Европы»
- «Секретная кривая Мелвилла: от геометрии к реляционной онтологии в “Моби Дике”»
И это только начало. В премиум-подписке стартовал шикарный цикл про юриспруденцию и математику — истории реальных процессов, где числа и формулы меняли судьбы. Подписывайтесь, чтобы не пропустить.
Как работает Накрутка Инстаграм: реальные способы увеличить охват в соц. сетях 
Фото дня. 29.09. Geo Hospital. 
В метро появились акустические кабины, только они не работают 
В объективе желтый цвет 
в бешенном темпе!! 
Про украинскую агентуру... 
Как кот Бандюк Михеича женил... 
Все науки хороши 
ВТОРАЯ ЧАСТЬ МАРЛЕЗОНСКОГО БАЛЕТА ОТ BMM VINYL. УГРОЖАЕТ ЛИ МНЕ ЭТОТ ЧЕЛОВЕК? 
