Как использовать квантовую механику для эффективного преобразования информации в полезную энергию?

Исследователи задаются вопросом, удастся ли благодаря знаниям в области квантовой механики преобразовывать информацию в механическую работу более эффективно, чем раньше — или совершенно по-новому. 

Публикация Др. Камила Корзеква из Ягеллонского университета и др. Маттео Лостальо по этому поводу получил две награды от редакции «Physical Review Letters» — одного из самых престижных журналов по физике в мире.

Вопросы о фундаментальном аспекте Вселенной

Доктор Корзеква пытается лучше понять, как второй закон термодинамики работает на квантовом уровне. Этот принцип в одной из формулировок гласит: «Не существует возможного процесса, единственным следствием которого было бы взятие определенного количества теплоты из резервуара и преобразование его в эквивалентное количество работы». Особенностью нашей Вселенной является то, что энтропия, которую можно рассматривать как меру беспорядка, всегда увеличивается со временем. Таким образом, вы не можете «упорядочить» систему (точнее, уменьшить ее энтропию) без использования энергии (потому что она также увеличивает энтропию в другом месте).

— Для меня вопросы о втором законе термодинамики — это вопросы о фундаментальном аспекте Вселенной. С этим законом связано то, что все разрушится, все мы умрем, все стремится — по стреле времени — к разрушению. Вопрос в том, почему это так — тоже на уровне законов квантовой физики, — говорит доктор Корзеква.

Изучение квантовой термодинамики также имеет более практическое измерение. Чтобы создавать еще более эффективные машины и приближать устройства к пределам физики, нам нужно лучше понимать ее законы. Между тем есть много указаний на то, что это невозможно без учета в теоретических моделях соображений физики информации, т.е. физических ограничений ее обработки.

— Мы живем в век информации. А информация не есть что-то абстрактное. Это зависит от законов физики. Тоже на уровне квантовой механики. А эффекты, связанные с памятью, могут существенно влиять на термодинамические процессы, — говорит ученый.

Демон Максвелла 

И это о Демоне Максвелла. Предлагаемый мысленный эксперимент позволит разделить частицы в двух соседних контейнерах. Открывая и закрывая перегородку в нужный момент, он мог бы собрать в одной части быстрые — горячие частицы, а в другой — медленные, холодные. И благодаря этому трюку — «бесплатно» построить тепловую машину. Хороший бизнес. Но что делает демона непобедимым? Проблема именно в информации, которую получает демон: ему нужно знать, является ли частица, приближающаяся к нему с заданного направления, быстрой или медленной, чтобы переместить перегородку в нужный момент. Информация, которую демон должен получить, а затем удалить, является скрытой стоимостью. И эти расходы означают, что работа демона не так уж бесплатна, как может показаться.

Следовательно, демон Максвелла не может существовать. Однако стоило бы разработать другие машины, использующие квантовые трюки, которые позволили бы, например, получить как можно больше работы из наименьшего количества информации. Но пока это далеко не так, потому что сначала должно быть создано описание того, как работает второй закон термодинамики в мире квантовых систем.

Квантовая термодинамика

— Квантовая термодинамика — это область, в которой ежегодно создается несколько сотен статей. В них ученые пытаются объяснить термодинамику на квантовом уровне, понять ее механизмы и определить, можно ли спроектировать тепловые двигатели и другие устройства с большей эффективностью или мощностью, чем это возможно классически. Однако у меня есть ощущение, что в какой-то момент это сообщество начало биться головой о стену. Через 10 лет с момента создания этого направления уже должны быть значительные эксперименты. В конце концов, мы физики, а не математики, — говорит доктор Корзеква. «Наша работа делает еще один шаг к экспериментированию: она предоставляет инструменты, помогающие моделировать эксперименты в квантовой термодинамике. Мы предлагаем математический формализм, адаптированный к эксперименту. Как будто мы предоставили набор красок,

Этот формализм позволяет описать, как квантовые частицы, взаимодействуя с термостатом при заданной температуре, могут переходить из одного состояния термодинамического неравновесия в другое. Так вот, благодаря ему можно анализировать, каковы (с некоторыми упрощениями) все возможные будущие состояния некой системы, впущенной в окружающую среду при данной температуре.

Макроскопическим эквивалентом этого эксперимента было бы, например, размещение кубика льда в комнате при температуре 20°C. Физики хотели бы знать все возможные будущие состояния этой системы (например, растворенная вода при 10°C). И благодаря этому искать будущее, в котором система будет работать больше всего.

— Я хочу проверить, сколько мы можем сделать «термодинамически бесплатно», не добавляя энергии, — комментирует ученый.

По его мнению, эксперименты, которые могут быть построены с использованием этого формализма, в более долгосрочной перспективе могут быть применимы к тепловым машинам, использующим, например, работу, выполняемую отдельными частицами (так называемая концепция двигателя Сциларда).

— Интересно понять, почему время течет в одну сторону. Ведь мы помним прошлое, а не будущее. Люди начали это понимать в 19 веке, когда было описано явление энтропии. Однако с появлением квантовой механики мы знаем, что в принципе это недостаточное объяснение. Частицы — это не бильярдные шары, а волны квантовой вероятности. Так сможем ли мы лучше понять направленность времени, если добавим формализм квантовой механики к тому, что мы уже знаем? – недоумевает доктор Корзеква.