Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci odvodili přesné rovnice pro práci vynaloženou démonem a práci, kterou extrahuje ze systému, vyjádřené v kvantových informačních mírách.
Fyzikové z japonské Nagojské univerzity (hlavní autor studie Shintaro Minagawa) a Slovenské akademie věd odhalili nové poznatky o vzájemném vztahu kvantové teorie a termodynamiky. Podle studie kvantová teorie sice ze své podstaty nezakazuje porušování druhého termodynamického zákona, ale kvantové procesy lze vždy realizovat, aniž by byl zákon skutečně porušen. Obě teorie tedy mohou koexistovat, ale současně jsou na sobě logicky nezávislé, jednu nelze odvodit z druhé.
Druhý zákon tvrdí, že entropie – míra neuspořádanosti systému – se nikdy samovolně nesnižuje, což odpovídá šipce času. Dále pak z něj vyplývá, že z chladnějšího tělesa nelze samovolně převádět teplo na teplejší, což pak omezuje možnosti cyklických tepelných strojů konat práci.
Základní výzvou pro druhý zákon termodynamiky je známý Maxwellův démon. Sice se pokládá za prokázané, že nemůže fungovat (sbírat informace něco stojí, vymazávat paměť něco stojí), jenže v kvantové verzi Maxwellova démona to už není tak jednoduché (poznámka PH: tedy ono to není zrovna triviální ani původně). Model „daemonic engine“ z 80. let zahrnuje tři kroky: démon měří cílový systém, poté z něj získává práci spojením s tepelným prostředím a nakonec vymaže jeho paměť interakcí s týmž prostředím.
Na základě tohoto rámce nyní vědci odvodili přesné rovnice pro práci vynaloženou démonem a práci, kterou extrahuje ze systému, vyjádřené v kvantových informačních mírách, jako je von Neumannova entropie a Groenewold-Ozawův informační zisk. Při porovnávání těchto rovnic dospěli k překvapivému výsledku: za určitých podmínek povolených kvantovou teorií může i po započtení všech nákladů extrahovaná práce převýšit práci vynaloženou, což zdánlivě porušuje druhý termodynamický zákon.
Vlastně to znamená, že v rámci kvantové teorie pro určité verze Maxwellova démona zůstává prostor. Současně ale podle studie není ani ohrožen druhý zákon: jakýkoli kvantový proces lze navrhnut (=navrhnout konkrétní realizaci) tak, aby byl v souladu s druhým zákonem.
„Kvantová teorie by potenciálně mohla porušit druhý termodynamický zákon, ale ve skutečnosti nemusí. Tím je nastolena pozoruhodná harmonie mezi kvantovou mechanikou a termodynamikou: zůstávají nezávislé, ale nikdy nejsou v zásadním rozporu,“ praví průvodní tisková zpráva. (Jinak řečeno, z kvantové teorie termodynamika nijak nevyplývá, kvantová fyzika o existenci druhé věty termodynamiky „vůbec neví“.)
Důsledky studie (alespoň dle jejích autorů) přesahují rámec teoretické fyziky. Hlubší porozumění termodynamickým limitům kvantových systémů poskytuje základ pro inovace v oblasti kvantových počítačů, nanomotorů a jim příbuzných zařízení.
npj Quantum Information (2025). DOI: 10.1038/s41534-024-00922-w
Zdroj: Nagoya University / Phys.org
