В основе технологии лежит принцип неопределенного причинно-следственного порядка (НПО). В макромире события происходят последовательно: причина всегда предшествует следствию. Однако на квантовом уровне два процесса могут находиться в состоянии суперпозиции – то есть происходить одновременно во всех возможных порядках до момента измерения. Именно этот эффект исследователи использовали для создания модифицированного цикла Отто.
«Неопределенный причинно-следственный порядок позволяет двум событиям происходить в суперпозиции порядков, – сказал Phys.org Чжун-Сяо Ман, один из ведущих авторов статьи. – В квантовой термодинамике эти события моделируются как каналы термализации, воздействующие на систему через управляющий кубит, создавая неопределенный порядок. Предыдущие работы показали, что даже при одинаковых температурах каналов система не обязательно должна достигать этой температуры – поразительное отклонение от стандартной термодинамики. Исходя из этого, мы задались вопросом: что происходит с тепловым потоком, когда система и каналы изначально имеют разные температуры?»
Традиционно тепловой двигатель преобразует тепло от горячего источника в механическую энергию, сбрасывая излишек в холодный. Здесь же система демонстрирует аномальное поведение. Управляющий кубит создает ситуацию с неопределенным порядком термализации, что заставляет квантовую среду поглощать фононы (кванты тепла) из резервуара с меньшей температурой.
Эксперимент был реализован на фотонной платформе. Результаты полностью совпали с теоретическими расчетами, описанными в Physical Review Letters. Синие энергетические потоки от холодных источников парадоксальным образом направлялись к центральной системе, где конвертировались в полезную работу (символизируемую золотой стрелкой).
«Мы экспериментально реализовали как аномальный поток, так и двигатель на фотонной платформе, получив результаты, которые полностью подтверждают наши теоретические предсказания, – пояснил Ман. – Ключевая идея нашей статьи заключается в том, что в квантовом мире два тепловых процесса могут происходить в суперпозиции разных порядков. Это создает необычный тепловой поток, позволяющий двигателю извлекать энергию из более холодной среды способом, который был бы невозможен в классическом случае».
«Во-первых, мы выявили новую форму аномального теплового потока, показав, что квантовая когерентность может коренным образом изменить способ теплообмена между системами, – сказал Джулио Чирибелла, соавтор статьи. – Во-вторых, мы представили полную теоретическую и экспериментальную демонстрацию этих нетрадиционных термодинамических эффектов на фотонной платформе, приблизив то, что в значительной степени было теоретической концепцией, к физической реализации. В-третьих, мы прояснили важный фундаментальный вопрос, доказав, что эти эффекты не являются исключительными признаками неопределенного причинно-следственного порядка, но также могут быть воспроизведены в рамках определенной причинно-следственной структуры».
Это открытие не просто научный курьез. Оно открывает путь к созданию сверхэффективных микрохолодильников и наноразмерных двигателей, способных работать вне рамок классической термодинамики. Такие устройства смогут точечно отводить тепло от перегревающихся элементов квантовых компьютеров или питать энергией автономные наносенсоры.
«Одно из направлений будущих исследований – это выход за рамки идеализированных термодинамических циклов и изучение более реалистичных реализаций, где все операции происходят за конечное время, – добавил Розарио Ло Франко, один из ведущих авторов статьи. – В практических устройствах скорость имеет значение, поскольку она определяет не только эффективность, но и выходную мощность. Недавние теоретические исследования показали, что измерения и операции управления, занимающие конечное время, могут приводить к фундаментальным компромиссам между энергетическими затратами, получением информации и производительностью, и мы хотели бы понять, как эти ограничения влияют на тип двигателя, предлагаемый в нашей работе».
