Кванты становятся «видимыми» благодаря теплу и демону Максвелла: Ученые предлагают новый взгляд на фундаментальные свойства материи

В мире квантовой физики, где частицы могут находиться в нескольких состояниях одновременно, а информацию не так-то просто «поймать за хвост», ученые постоянно ищут новые способы разглядеть скрытые свойства материи. И вот, появился прорыв — метод, позволяющий заглянуть в квантовый мир, просто измеряя… тепло.

Кажется, что общего у термодинамики, науки о тепле и энергии, и квантовой механики, изучающей поведение микроскопических объектов? Оказывается, связь есть, и она глубже, чем можно было предположить. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, открывает путь к обнаружению квантовых свойств системы, не прибегая к сложным и разрушительным измерениям самих квантовых объектов. Вместо этого, ученые предлагают использовать тепловой поток как «свидетеля», косвенно раскрывающего тайны квантового мира.

Демон Максвелла: От мысленного эксперимента к реальной практике

Идея этого подхода берет свои корни в мысленном эксперименте, придуманном еще в XIX веке Джеймсом Клерком Максвеллом. Представьте себе существо — «демона Максвелла» — которое может сортировать молекулы газа по их скорости в закрытом сосуде. Разделяя быстрые и медленные молекулы, демон, казалось бы, нарушает второй закон термодинамики, который гласит, что энтропия (мера беспорядка) в замкнутой системе всегда возрастает.

Долгое время демон Максвелла оставался лишь интересным парадоксом. Но сегодня, вдохновившись этой идеей, ученые из Технического университета Дании и Ягеллонского университета в Польше смогли разработать новый подход к исследованию квантовых свойств. Они задались вопросом: что произойдет, если заменить классическую память демона на квантовую?

Ответ оказался неожиданным: квантовые системы раскрывают свои уникальные свойства просто обмениваясь теплом с окружающей средой. Этот тепловой поток становится индикатором, свидетельствующим о наличии таких квантовых явлений, как запутанность и когерентность.

Тепловой поток как детектор квантовой запутанности

Что же такое квантовая запутанность? Представьте себе две частицы, неразрывно связанные друг с другом, независимо от расстояния между ними. Изменение состояния одной частицы мгновенно отражается на состоянии другой. Это явление, которое Эйнштейн называл «жутким дальнодействием», лежит в основе многих перспективных квантовых технологий.

Традиционные методы измерения запутанности требуют прямого «вмешательства» в квантовую систему, разрушая ее хрупкое состояние. Новый метод позволяет обойти эту проблему. Ученые предлагают использовать тепловую вспомогательную систему (аналог «теплового резервуара») и квантовую память. Система, чьи квантовые свойства мы хотим исследовать, взаимодействует с тепловым резервуаром, а квантовая память служит катализатором этого взаимодействия, не обмениваясь энергией.

Ключевой момент заключается в том, что квантовая память способна формировать квантовые связи с исследуемой системой, что открывает уникальные каналы для теплового потока, недоступные классическим системам. Измеряя изменение энергии теплового резервуара после взаимодействия, можно косвенно определить, обладает ли исходная система квантовыми свойствами, такими как запутанность. Если изменение энергии выходит за пределы предсказанного для классической системы, это является явным признаком квантовой запутанности.

Квантовая «сигнатура» в тепловом потоке

Представьте себе, что Алиса и Боб хотят проверить, запутаны ли их квантовые состояния. Они используют тепловой резервуар и квантовую память. Измерив энергию резервуара до и после взаимодействия с исследуемой системой, они могут определить, присутствует ли квантовая «сигнатура» в тепловом потоке.

Этот подход универсален и не зависит от конкретной модели или системы. Он позволяет изучать фундаментальные ограничения на теплообмен в квантовом процессе, просто измеряя тепловые характеристики окружающей среды.

От теории к практике: перспективы применения

Ученые уже продемонстрировали работоспособность своего метода на двух примерах: обнаружение запутанности и сертификация когерентности. Важно отметить, что этот подход может быть реализован на современных экспериментальных платформах, таких как ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и полостная квантовая электродинамика (КЭД).

Более того, исследователи предполагают, что другие платформы, такие как одноэлектронные устройства и захваченные ионы, также могут быть использованы для проверки их результатов. Это открывает захватывающие перспективы для разработки новых квантовых технологий, основанных на косвенном измерении квантовых свойств через тепловой поток.

Будущее квантовых исследований: Многосторонние корреляции и практические приложения

Новое исследование — это лишь первый шаг на пути к более глубокому пониманию связи между термодинамикой и квантовой информацией. В будущем ученые планируют обобщить свой подход для сертификации и количественной оценки многосторонних квантовых корреляций.

Как отмечает доктор Оливейра Жуниор, измерение таких корреляций обычно сопряжено с огромными вычислительными затратами. Возникает вопрос: можно ли разработать методы, позволяющие практически измерять многосторонние квантовые корреляции на основе различий в теплообмене?

Если этот вопрос будет решен, это откроет новые горизонты для разработки практических квантовых приложений, от квантовых компьютеров до квантовых сенсоров. Тепло, как «свидетель» квантовых свойств, может стать ключом к разгадке самых сокровенных тайн мироздания и к созданию революционных технологий, которые изменят наш мир.