Этот прорыв вносит свой вклад в многолетнее исследование второго закона термодинамики, принципа, который часто считается одним из самых глубоких и загадочных в физике. Второй закон утверждает, что энтропия - мера беспорядка в системе - никогда не уменьшается самопроизвольно. В нем также говорится, что циклически работающий двигатель не может производить механическую работу, извлекая тепло из одной тепловой среды, и подчеркивается концепция однонаправленного течения времени.

Несмотря на свою основополагающую роль, второй закон остается одним из наиболее обсуждаемых и неправильно понимаемых принципов в науке. Центральное место в этой дискуссии занимает парадокс "Демона Максвелла", мысленный эксперимент, предложенный физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1867 году.

Максвелл представил себе гипотетическое существо - демона, способное сортировать быстрые и медленные молекулы в газе при тепловом равновесии без затрат энергии. Разделив эти молекулы на отдельные области, демон мог бы создать разницу температур. Когда система возвращается к равновесию, извлекается механическая работа, что, по-видимому, противоречит второму закону термодинамики.

Этот парадокс интриговал физиков более столетия, поднимая вопросы об универсальности закона и о том, зависит ли он от знаний и возможностей наблюдателя. Решения парадокса в значительной степени были сосредоточены на рассмотрении демона как физической системы, подчиняющейся законам термодинамики. Предлагаемое решение заключается в стирании памяти демона, что потребовало бы затрат механической работы, эффективно компенсирующей нарушение второго закона.

Чтобы продолжить изучение этого феномена, исследователи разработали математическую модель "демонического двигателя", системы, приводимой в действие демоном Максвелла. Их подход основан на теории квантовых приборов, системе, введенной в 1970-х и 1980-х годах для описания наиболее общих форм квантовых измерений.

Модель включает в себя три этапа: демон измеряет целевую систему, затем извлекает из нее работу, подключая ее к тепловой среде, и, наконец, стирает ее память, взаимодействуя с той же средой.

Используя эту структуру, команда вывела точные уравнения для работы, затрачиваемой демоном, и работы, которую он извлекает, выраженные в терминах квантовых информационных показателей, таких как энтропия фон Неймана и прирост информации Груневольда-Одзавы. При сравнении этих уравнений они получили удивительный результат.

"Наши результаты показали, что при определенных условиях, допускаемых квантовой теорией, даже после учета всех затрат, полученная работа может превышать затраченную, что, по-видимому, нарушает второй закон термодинамики", - пояснил Синтаро Минагава, ведущий исследователь проекта. "Это открытие было столь же захватывающим, сколь и неожиданным, бросая вызов предположению о том, что квантовая теория по своей сути "защищена от демонов". В структуре есть скрытые уголки, где демон Максвелла все еще может творить свою магию".

Несмотря на эти лазейки, исследователи подчеркивают, что они не представляют угрозы для второго закона. "Наша работа демонстрирует, что, несмотря на эти теоретические уязвимости, можно спроектировать любой квантовый процесс таким образом, чтобы он соответствовал второму закону", - сказал Хамед Мохаммади. "Другими словами, квантовая теория потенциально может нарушить второй закон термодинамики, но на самом деле это необязательно. Это устанавливает замечательную гармонию между квантовой механикой и термодинамикой: они остаются независимыми, но никогда принципиально не противоречат друг другу".

Это открытие также предполагает, что второй закон не накладывает строгих ограничений на квантовые измерения. Любой процесс, разрешенный квантовой теорией, может быть реализован без нарушения принципов термодинамики. Уточняя наше понимание этого взаимодействия, исследователи стремятся раскрыть новые возможности для квантовых технологий, сохраняя при этом вечные принципы термодинамики.

"Одна вещь, которую мы показываем в этой статье, заключается в том, что квантовая теория действительно логически независима от второго закона термодинамики. То есть он может нарушать закон просто потому, что вообще "не знает" об этом", - пояснил Франческо Бушеми. "И все же - и это столь же примечательно - любой квантовый процесс может быть реализован без нарушения второго закона термодинамики. Это можно сделать, добавляя дополнительные системы до тех пор, пока термодинамический баланс не будет восстановлен." Выводы этого исследования выходят за рамки теоретической физики. Освещение термодинамических пределов квантовых систем создает основу для инноваций в области квантовых вычислений и наноразмерных движков. Поскольку мы исследуем квантовую сферу, это исследование служит напоминанием о хрупком балансе между фундаментальными законами природы и потенциалом для революционных технологических достижений.