| | 7 июля 2017 | Новости науки и техники
Ученые заставили работать квантовый вариант демона Максвелла
Международная исследовательская группа, возглавляемая доктором Джанет Андерс (Dr Janet Anders) из университета Эксетера (University of Exeter), используя сложные сверхпроводящие схемы, «вдохнула жизнь» в квантовый вариант так называемого демона Максвелла. Данная работа предоставляет ученым возможность детального изучения работы одного из наиболее необычных явлений, которое до недавнего времени существовало лишь в виде мысленного эксперимента.
Демон Максвелла получил свое название в честь Джеймса Клерка Максвелла, величайшего ученого, который в 1867 году предложил идею, позволяющую извлечь полезную энергию из недр термодинамической системы, находящейся в состоянии равновесия, что является нарушением второго закона термодинамики.
Согласно этой идее, крошечное гипотетическое существо, которое и является демоном Максвелла, сортирует молекулы газа, отправляя в одну емкость молекулы с более высокой энергией и оставляя низкоэнергетические молекулы в другой емкости. В результате действий демона в одной емкости скапливается большое количество высокоэнергетических молекул, из-за чего возникает перепад давления, который можно использовать для извлечения полезной энергии в обход второго закона термодинамики.
«В 1980-х годах ученые выяснили, что исходный эксперимент с демоном Максвелла является не полным» — рассказывает доктор Андерс, — «В некоторых случаях информация о свойствах молекул остается сохраненной в «памяти демона», в виде его состояния. И обладание большим количеством такой информации может свести к нулю энергетическую эффективность демона».
В качестве квантового демона Максвелла в данном случае выступала впадина микроволнового резонатора, вытягивающая энергию из находящегося по соседству сверхпроводящего квантового бита, кубита. Благодаря такому соседству ученые смогли не только зарегистрировать отбор энергии демоном Максвелла, но и считать его «память», в которой хранились данные о предыдущих состояниях квантового бита.
«В данном случае мы используем особенность квантово-механической системы, которая определяет, что частица может обладать одновременно и высокой и низкой энергией одновременно» — рассказывает доктор Андерс, — «Однако, частица приобретает определенный энергетический уровень в тот же самый момент, когда на нее обращает свое внимание демон Максвелла».
И в заключение следует заметить, что данный эксперимент является захватывающей демонстрацией взаимодействия между термодинамикой, квантовой физикой и информатикой. Вполне вероятно, что благодаря именно этому эксперименту будут разработаны новые теории, касающиеся работы наноразмерных термодинамических систем и процессов.