Ученые заставили работать квантовый вариант демона Максвелла

kvant-elemМеждународная исследовательская группа, возглавляемая доктором Джанет Андерс из университета Эксетера, 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.