Sıcak nesnelerden soğuk nesnelere ısı akışına alışkınız ve asla tam tersi değil, ancak şimdi araştırmacılar bu numarayı kuantum mekaniğinin tuhaf dünyasında başarmanın mümkün olduğunu buldular.
Isı normalde sıcaktan soğuğa doğru akar
Unutulan bir fincan kahve, ısısı çevredeki daha soğuk havaya aktıkça yavaş yavaş soğuyacaktır, ancak kuantum aleminde bu deneyimin tersine çevrilebileceği görülüyor. Sonuç olarak, ısı enerjisinin her zaman sıcaktan soğuğa doğru aktığını belirten temel bir fizik ilkesi olan termodinamiğin ikinci yasasını güncellememiz gerekebilir.
Çin’deki Güney Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Dawei Lu ve meslektaşları, karbon, hidrojen ve oksijen atomlarını içeren bir krotonik asit molekülüyle bu yasayı çiğnemiş gibi görünüyor. Araştırmacılar, kuantum bilgisayarların temel yapı taşları olan ve kuantum bilgisini depolayabilen dört karbon atomunun çekirdeğini kübit olarak kullandılar. Hesaplamada kullanıldığında, araştırmacılar normalde kubitlerin kuantum durumlarını elektromanyetik radyasyon patlamalarıyla kontrol ediyorlar, ancak bu durumda ekip bu kontrolü daha soğuk, daha düşük sıcaklıktaki bir kübitten daha sıcak olana doğru ısı akışını sağlamak için kullandı.
Bu, makroskobik dünyamızda bir fincan kahve gibi bir şeyin başına asla kendiliğinden gelmez çünkü geriye doğru akışı beslemek için fazladan enerji gerekir. Ancak kuantum ortamında, yakıtın başka biçimleri de mevcut; bu durumda, “tutarlılık” adı verilen bir tür kuantum bilgisi. Lu, “Bu kuantum bilgisini enjekte ederek ve kontrol ederek ısı akışının yönünü tersine çevirebiliriz” diyor. “Heyecanlıydık.”
Termodinamik yasalarının kuantum aleminde işlememesi belki de şaşırtıcı değildir, çünkü bunlar 19. yüzyılda, kuantum fiziğinin resmileşmesinden yaklaşık 100 yıl önce ortaya konmuştu. Bu sorunu çözmek için Lu ve meslektaşları, her kübitin “görünür sıcaklığını” hesapladılar; bu, bir nesnenin tutarlılık gibi bazı kuantum özelliklerini açıklayan geleneksel sıcaklığın bir modifikasyonuydu ve termodinamiğin ikinci yasasının yeniden karşılandığını ve ısının daha yüksek bir görünür sıcaklıktan daha düşük bir sıcaklığa doğru aktığını gördü.
Brezilya’daki ABC Federal Üniversitesi’nden Roberto Serra, tutarlılık gibi kuantum özelliklerinin, örneğin ısının bir buhar makinesinin çalışmasını sağlamak için kullanılan bir kaynak olmasına benzer bir tür termodinamik kaynak olarak değerlendirilebileceğini söylüyor. Bu kuantum mikroskobik kaynaklar manipüle edildiğinde termodinamik yasalarının açıkça ihlal edilebileceğini söylüyor. Serra, “Ancak termodinamiğin olağan yasaları, bu mikroskobik durumlara erişimimizin olmadığı düşünülerek geliştirildi. Bu sadece bariz bir ihlal çünkü bu erişime sahip olduğumuzu göz önünde bulundurarak yeni yasalar yazmamız gerekiyor” diyor.
Lu, araştırmacıların artık ısının tersine çevrilmesi deneyini kübitler arasındaki ısıyı kontrol etmek için daha pratik bir protokole dönüştürmek istediklerini söylüyor. Kuantum bilgisi ve ısı arasındaki temel bağlantıları ortaya çıkarmanın ötesinde, kübitleri soğutmanın yeni pratik yollarını bulmak kuantum bilgisayarları geliştirebilir. Serra, bunun gelişen kuantum hesaplama endüstrisi için büyük önem taşıyabileceğini, çünkü sonuçta geleneksel bilgisayarların bile yalnızca ısınmayı önleyebildiği kadar çalışabileceğini söylüyor.
