Одна из формулировок второго закона термодинамики, закон неубывания энтропии в замкнутых системах, может нарушаться. Энтропия, как выяснила международная группа ученых, может убывать в энергетически изолированных квантовых системах.

В 1870-х годах принцип роста энтропии (неупорядоченности) был сформулирован Людвигом Больцманом в его так называемой H-теореме (произносится «аш-теорема»). Она гласит, что величина энтропии в замкнутой системе либо растет, либо остается постоянной. После появления квантовой механики ученые предположили, что «корни» H-теоремы связаны с квантовыми явлениями.

Группа под руководством Гордея Лесовика, ведущего научного сотрудника Лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН сформулировала H-теорему на языке квантовой физики. В результате ученые обнаружили условия, при которых второй закон термодинамики может локально нарушаться.

«Мы нашли квантового демона Максвелла, который может уменьшить энтропию в системе, причем даже не измеряя ее состояние», — говорит Лесовик.

Квантовый демон Максвелла. Изображение: Джанни Блаттер (Gianni Blatter), профессор Института теоретической физики в Цюрихе, соавтор исследований
Демон Максвелла — мифическое существо, придуманное британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом во второй половине XIX века для того, чтобы объяснить парадокс второго начала термодинамики. Демон должен был повысить упорядоченность системы, которая в соответствии с законами физики сама по себе (в изолированной системе) возрастать не может.

Второй закон термодинамики может локально нарушаться в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры. Существенное различие состоит в том, что если в классической физике уменьшение энтропии связано с передачей энергии, а именно с охлаждением, то в квантовом мире снижение энтропии может происходить без передачи энергии — за счет явления квантовой запутанности, при котором квантовые объекты, например кубиты (искусственные атомы, элементы хранения информации в квантовом компьютере), оказываются связаны друг с другом, и при изменении состояния одного кубита меняются состояния другого, запутанного с ним. То есть происходит обмен не энергией, а квантовым состоянием.

Это значит, что если взять энергетически изолированную систему, например один кубит, и еще один вспомогательный кубит, специальным образом настроенные на взаимодействие друг с другом, так что итогового обмена энергией не будет, то можно уменьшать энтропию «рабочего» кубита, «перенося» энтропию на «вспомогательный», находящийся в стороне от основного процесса, работы, которую совершает система.

По словам ученого, результаты исследования можно использовать для создания квантового холодильника и охлаждения как обычных компьютеров, так и квантовых.

По словам Лесовика, ученые в ближайшее время планируют провести экспериментальную проверку этого эффекта.

Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.