Исследовательская группа из TU Wien (Вена) теперь исследовала вопрос: как этот закон можно согласовать с правилами квантовой физики? Им удалось разработать "квантовую версию" третьего закона термодинамики: теоретически достижим абсолютный ноль. Но для любого мыслимого рецепта вам понадобятся три ингредиента: энергия, время и сложность. И только если у вас есть бесконечное количество одного из этих ингредиентов, вы можете достичь абсолютного нуля.

Информация и термодинамика: очевидное противоречие

Когда квантовые частицы достигают абсолютного нуля, их состояние точно известно: они гарантированно находятся в состоянии с наименьшей энергией. Тогда частицы больше не содержат никакой информации о том, в каком состоянии они находились раньше. Все, что могло произойти с частицей раньше, полностью стирается. Таким образом, с точки зрения квантовой физики охлаждение и удаление информации тесно связаны.

На этом этапе встречаются две важные физические теории: теория информации и термодинамика. Но эти два понятия, похоже, противоречат друг другу: "Из теории информации нам известен так называемый принцип Ландауэра. В нем говорится, что для удаления одного бита информации требуется очень определенное минимальное количество энергии", - объясняет профессор. Маркус Хубер из Атомного института Вены. Термодинамика, однако, гласит, что вам нужно бесконечное количество энергии, чтобы охладить что-либо точно до абсолютного нуля. Но если удаление информации и охлаждение до абсолютного нуля - это одно и то же, то как это сочетается?

Энергия, время и сложность

Корни проблемы кроются в том факте, что термодинамика была сформулирована в 19 веке для классических объектов - для паровых двигателей, холодильников или раскаленных кусков угля. В то время люди понятия не имели о квантовой теории. Если мы хотим понять термодинамику отдельных частиц, мы сначала должны проанализировать, как взаимодействуют термодинамика и квантовая физика - и это именно то, что сделали Маркус Хубер и его команда.

"Мы быстро поняли, что для достижения абсолютного нуля не обязательно использовать бесконечную энергию", - говорит Маркус Хубер. "Это также возможно при конечной энергии - но тогда вам потребуется бесконечно много времени, чтобы сделать это". До этого момента соображения все еще совместимы с классической термодинамикой, какой мы ее знаем из учебников. Но затем команда наткнулась на дополнительную деталь, имеющую решающее значение:

"Мы обнаружили, что могут быть определены квантовые системы, позволяющие достичь абсолютного основного состояния даже при конечной энергии и за конечное время - никто из нас этого не ожидал", - говорит Маркус Хубер. "Но эти особые квантовые системы обладают еще одним важным свойством: они бесконечно сложны". Таким образом, вам потребовался бы бесконечно точный контроль над бесконечно многими деталями квантовой системы - тогда вы могли бы охладить квантовый объект до абсолютного нуля за конечное время с конечной энергией. На практике, конечно, это так же недостижимо, как бесконечно высокая энергия или бесконечно долгое время.

Стирание данных в квантовом компьютере

"Итак, если вы хотите идеально стереть квантовую информацию в квантовом компьютере и в процессе перевести кубит в идеально чистое основное состояние, то теоретически вам понадобится бесконечно сложный квантовый компьютер, который может идеально управлять бесконечным числом частиц", - говорит Маркус Хубер. Однако на практике совершенство не обязательно - ни одна машина никогда не бывает совершенной. Этого достаточно, чтобы квантовый компьютер выполнял свою работу достаточно хорошо. Таким образом, новые результаты в принципе не являются препятствием для разработки квантовых компьютеров.

В практическом применении квантовых технологий температура сегодня играет ключевую роль - чем выше температура, тем легче квантовым состояниям разрушаться и становиться непригодными для любого технического использования. "Именно поэтому так важно лучше понять связь между квантовой теорией и термодинамикой", - говорит Маркус Хубер. "На данный момент в этой области наблюдается большой интересный прогресс. Постепенно становится возможным увидеть, как переплетаются эти две важные части физики".