Абсолютный ноль достижим? Ученые нашли квантовую формулировку третьего закона термодинамики

Идеальное стирание данных и достижение минимально возможной температуры могут показаться не связанными между собой, однако между ними существует тесная связь. Исследователи из TU Wien обнаружили квантовую формулировку третьего закона термодинамики.

Температура абсолютного нуля, которая является самой низкой из возможных температур, равн а-273,15 градуса Цельсия. Однако достичь этой температуры невозможно, так как объекты могут лишь приблизиться к ней. Это понятие известно как третий закон термодинамики.

Группа исследователей из TU Wien (Вена) недавно изучила совместимость третьего закона термодинамики с принципами квантовой физики. Они успешно сформулировали «квантовую версию» этого закона, согласно которой достижение абсолютного нуля теоретически возможно. Однако для этого необходимо наличие трех составляющих: энергии, времени и сложности. Абсолютный ноль может быть достигнут только в том случае, если один из этих элементов доступен в бесконечном количестве.

Информация и термодинамика: кажущееся противоречие

Когда квантовые частицы достигают абсолютного нуля, их состояние точно известно: они гарантированно находятся в состоянии с наименьшей энергией. После этого частицы уже не содержат никакой информации о том, в каком состоянии они находились до этого. Все, что могло произойти с частицей до этого, полностью стирается. Таким образом, с точки зрения квантовой физики охлаждение и стирание информации тесно связаны.

В этот момент происходит встреча двух важных физических теорий: теория информации и термодинамика. Но эти две теории, казалось бы, противоречат друг другу: «Из теории информации мы знаем так называемый принцип Ландауэра. Он гласит, что для удаления одного бита информации требуется совершенно определенное минимальное количество энергии, — поясняет профессор Маркус Хубер из Атомного института ТУ Вены. Термодинамика же утверждает, что для охлаждения чего-либо до абсолютного нуля требуется бесконечное количество энергии. Но если удаление информации и охлаждение до абсолютного нуля — это одно и то же, то как это сочетается?

Энергия, время и сложность

Корни проблемы кроются в том, что термодинамика была сформулирована в XIX веке для классических объектов — для паровых машин, холодильников или раскаленных кусков угля. В то время люди не имели представления о квантовой теории. Если мы хотим понять термодинамику отдельных частиц, мы должны сначала проанализировать, как взаимодействуют термодинамика и квантовая физика — и именно этим занимались Маркус Хубер и его команда.

«Мы быстро поняли, что для достижения абсолютного нуля не обязательно использовать бесконечную энергию», — говорит Маркус Хубер. «Это можно сделать и с конечной энергией — но тогда для этого нужно бесконечно долгое время». До сих пор эти рассуждения укладывались в рамки классической термодинамики, известной нам из учебников. Но затем команда столкнулась с дополнительной деталью, имеющей принципиальное значение:

«Мы обнаружили, что можно определить квантовые системы, которые позволяют достичь абсолютного основного состояния даже при конечной энергии и за конечное время — никто из нас этого не ожидал», — говорит Маркус Хубер. «Но эти особые квантовые системы обладают еще одним важным свойством: они бесконечно сложны». Таким образом, необходим бесконечно точный контроль над бесконечно большим количеством деталей квантовой системы — тогда можно будет охладить квантовый объект до абсолютного нуля за конечное время при конечной энергии. На практике, конечно, это так же недостижимо, как и бесконечно высокая энергия или бесконечно долгое время.

Стирание данных в квантовом компьютере

«Поэтому если вы хотите идеально стереть квантовую информацию в квантовом компьютере и при этом перевести кубиты в идеально чистое основное состояние, то теоретически вам потребуется бесконечно сложный квантовый компьютер, который сможет идеально управлять бесконечным числом частиц», — говорит Маркус Хубер. Однако на практике совершенство не обязательно — ни одна машина никогда не бывает совершенной. Достаточно, чтобы квантовый компьютер выполнял свою работу достаточно хорошо. Таким образом, новые результаты не являются принципиальным препятствием для развития квантовых компьютеров.

В практических приложениях квантовых технологий температура играет сегодня ключевую роль — чем выше температура, тем легче квантовые состояния разрушаются и становятся непригодными для какого-либо технического использования. «Именно поэтому так важно лучше понять связь между квантовой теорией и термодинамикой», — говорит Маркус Хубер. «В настоящее время в этой области наблюдается большой интересный прогресс. Постепенно становится возможным увидеть, как переплетаются эти два важных раздела физики».

Ссылка: «Ландауэр против Нернста: Какова истинная стоимость охлаждения квантовой системы?», авторы: Филипп Таранто, Фарадж Бахшинежад, Андреас Блюм, Ральф Сильва, Николай Фриис, Максимилиан П.Е. Лок, Джузеппе Витальяно, Феликс С. Binder, Tiago Debarba, Emanuel Schwarzhans, Fabien Clivaz and Marcus Huber, 27 марта 2023 г., PRX Quantum . DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.010332