Спустя 150 лет после того, как знаменитый шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл впервые представил эту идею, концепция демона Максвелла продолжает сбивать с толку физиков и ученых в области информации. Демон, о котором он мечтал в мысленном эксперименте, и который мог рассортировать быстрые и медленные частицы на различные стороны контейнера, казалось, нарушил второй закон термодинамики.
Демон Максвелла — это машина, предложенная Джеймсом Клерком Максвеллом в 1867 году. Гипотетическая машина использовала бы тепловые флуктуации для получения энергии, очевидно нарушая второй принцип термодинамики. Ученые постоянно пытаются реализовать данную идею. Принимая во внимание памяти демона, физики смогли вывести демон в соответствии с законами статистической механики классических систем, но ситуация стала спорной еще раз, когда были предложены тепловые квантовые двигатели. Недавние результаты физического моделирования могут объединить различные аргументы.
Классический второй закон термодинамики и его отклонения
Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия, то есть неупорядоченность, энергетически изолированной системы не может самопроизвольно уменьшаться.
Но если предположить, что наш демон (условный элемент) делает так, что устройство, которое называется кубитом, переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное, то при этом кубит не изменяет свою энергию и находится от демона на огромном, по меркам квантовой физики, расстоянии.
До сих пор авторы исследования и другие физики описывали и конструировали только квантовых демонов Максвелла с очень малым радиусом действия. Поскольку демона необходимо особым образом подготовить перед каждым взаимодействием с кубитом, а, соответственно, на это уходит энергия и глобально второй закон не нарушается.
Демон-очиститель из искусственного атома
«Наш демон делает так, что устройство, которое называется кубитом, переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное, — поясняет ведущий автор исследования Андрей Лебедев, сотрудник МФТИ и Федеральной высшей технической школы Цюриха. — При этом кубит не изменяет свою энергию и находится от демона на огромном, по меркам квантовой физики, расстоянии».
Роль кубита в исследовании выполняет сверхпроводящий искусственный атом —микроскопическое устройство, из которого ранее тот же коллектив предложил сделать квантовый магнитометр. Такой кубит состоит из тонких пленок алюминия, нанесенных на кремниевый чип.
Эта система называется искусственным атомом, потому что при температуре, близкой к абсолютному нулю, она ведет себя как атом с двумя энергетическими уровнями —основным и возбужденным.
Для кубита характерны «грязные» (смешанные) и «чистые» состояния. Если он пребывает или в основном, или в возбужденном состоянии, но не известно, в каком именно, то говорят о грязном. В таком состоянии можно говорить о классической вероятности найти искусственный атом на одном из своих уровней.
Но, как и настоящий атом, кубит может находиться в квантовой суперпозиции основного и возбужденного состояния. Так в квантовой физике описывают особое состояние, которое не тождественно ни одному из двух базисных.
Такое состояние называют чистым, его нельзя описать только в терминах классической вероятности. Оно считается более упорядоченным, но может существовать лишь доли секунды, прежде чем переходит в грязное.
Роль демона выполняет второй такой же кубит. Он присоединяется к рабочему кубиту коаксиальным кабелем, который проводит микроволновые сигналы. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, оказавшись связанными, кубиты начинают самопроизвольно обмениваться виртуальными фотонами — порциями микроволнового излучения. Посредством фотонов кубиты меняются состояниями.
Демон приводится в чистое состояние, затем он обменивается состояниями с рабочим кубитом, отдавая чистое взамен на грязное с такой же энергией. Перейдя в чистое состояние, рабочий кубит снижает свою энтропию, сохранив прежнюю энергию. Таким образом, демон Максвелла на расстоянии «съедает» энтропию кубита —энергетически изолированной системы. Если смотреть на кубит локально, возникает впечатление, что второй закон нарушен.
Кубитный нанохолодильник
Возможность на расстоянии очищать состояние рабочего кубита ценна с практической точки зрения. В отличие от грязного, чистое состояние кубита можно относительно легко и предсказуемо перевести в основное или в возбужденное при помощи электромагнитного поля.
Эта операция нужна для работы квантового компьютера: при его запуске требуется перевести все кубиты в основное состояние. При этом присутствие демона вблизи кубитов нежелательно, так как процесс его очистки может губительно повлиять на состояние компьютера.
Еще одно применение связано с тем, что перевод рабочего кубита в чистое состояние и затем в основное вызывает охлаждение точки пространства, где находится кубит. Это значит, что кубит работает как нанохолодильник, которым можно точечно охлаждать, например, участки молекул.
Обычный холодильник воздействует на весь свой объем, а такой кубитный нанохолодильник будет охлаждать конкретную точку. В ряде случаев это может быть эффективнее, например, в том же квантовом компьютере можно было использовать так называемое алгоритмическое охлаждение — в коде основной, «квантовой» программы написать подпрограмму, которая будет прицельно охлаждать самые горячие кубиты.
А поскольку любую тепловую машину можно запустить в обратную сторону, мы имеем еще и точечный нагреватель. Чтобы его включить, нужно переводить рабочий кубит из суперпозиции не в основное, а в возбужденное состояние. Тогда там, где находится кубит, станет горячее.
Обе операции можно проводить многократно, потому что чистое состояние кубита живет доли секунды, после чего оно снова переходит в грязное, поглощая или излучая энергию в случае с холодильником и нагревателем соответственно. На каждом шаге точка нахождения кубита будет остывать или нагреваться сильнее.
Кроме радиуса действия демона, авторы работы определили максимальную температуру коаксиального кабеля между двумя кубитами, при которой вся система сохраняет свои квантовые свойства и без чего действие демона невозможно.
Хотя эта температура крайне низка (считаные градусы выше абсолютного нуля), она все же выше рабочей температуры кубитов примерно в 100 раз, что существенно облегчает реализацию предложенной схемы на практике.
Квантовые парадоксы при моделировании
Ученые пытаются показать связь между информатикой и термодинамикой. Моделируя физическую систему с «меньшим демоном Максвелла», который имеет только ограниченный доступ к системе, они смогли показать, откуда происходит увеличение энтропии, а также приводит ли эта энтропия к тому, что можно было бы назвать квантовым теплом или подлинно выполнением работы.
В квантовых системах измерения может измениться состояние системы, и именно здесь закрадываются последствия для второго закона термодинамики. Если измерение несовместимо с квантовой системой - то, что квантовые физики описали бы как гамильтониан, который не коммутирует, - затем измерение вводит энергию. Вопрос о том, следует ли описывать это изменение энергии как «выполненную работу» или «квантовое тепло», остается непростой задачей. Некоторые утверждают, что при повторных измерениях тепло рассеивается, что энергия пассивна и ее нельзя использовать, и что в любом случае, рассматривая измерение как рассеивающий канал, который действует только на систему, ошибочно игнорирует измерительное устройство.
Хотя споры по этой теме часто занимают абстрактные области теории информации и термодинамических абстракций, ученые стремились выработать более прагматичный подход. Они рассматривают систему кубита, контактирующую с тепловым резервуаром, которая может привести его в возбужденное состояние. Кубит связан с указателем, который макроскопически меняет положение в зависимости от внутреннего состояния кубита. Тоесть необходимо рассматривать указатель, как пружина или, возможно, о молекула, колеблющейся в квантовой яме, где положение для минимальной энергии сдвигается в зависимости от состояния кубита.
Путь к энергоэффективности
Хотя эта технология не обязательно уменьшает количество энергии, необходимое для охлаждения, холодильники с квантовыми цепями могут позволить иметь больше логических кубитов на чипе, чтобы обеспечить физическим кубитам работать более эффективно. Это уменьшит количество энергии, потребляемой на логический кубит. Кроме того, согласно теоретическим исследованиям, ученые считают, что у них есть метод, позволяющий избежать избыточного рассеивания тепла на кубитном чипе и при одинаковом общем энергопотреблении системы у вас может быть более мощный вычислительный квантовый компьютер.
Поскольку недавние эксперименты уже продемонстрировали возможность проведения измерений на высоких частотах, физики ожидают, что демон Максвелла может быть реализован с использованием существующей технологии. В будущем они также планируют исследовать потенциальные приложения для квантовых вычислений.
