В новом исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, ученые предложили инновационный метод обнаружения квантовых свойств системы через наблюдение за тепловыми изменениями, избегая прямого измерения самой квантовой системы. Вдохновленные концепцией демона Максвелла, исследователи связали термодинамику с квантовой теорией, раскрыв фундаментальную связь между тепловым потоком и квантовыми свойствами.
Традиционные методы измерения квантовых свойств, таких как запутанность и когерентность, требуют прямого вмешательства, что разрушает квантовое состояние. Новый подход позволяет избежать этого, используя тепловую среду как индикатор. Квантовая память, выступая катализатором, влияет на тепловые потоки между системой и окружающей средой, сохраняя квантовую информацию. Это позволяет обнаруживать квантовые свойства через наблюдение за изменениями энергии в тепловой ванне.
Исследователи продемонстрировали метод на примерах обнаружения запутанности и когерентности, подчеркнув его применимость в современных экспериментальных платформах, таких как ядерный магнитный резонанс и сверхпроводящие кубиты. Этот подход открывает новые возможности для изучения квантовых свойств, избегая сложностей традиционных измерений, и может стать ключевым инструментом в развитии квантовых технологий.
Демон Максвелла — это мысленный эксперимент, предложенный физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в XIX веке. Он представляет собой гипотетическое существо, способное сортировать молекулы газа в закрытой системе по их скоростям, разделяя их на “горячие” (быстрые) и “холодные” (медленные). На первый взгляд, это кажется нарушением второго закона термодинамики, который утверждает, что энтропия (мера беспорядка) в изолированной системе всегда возрастает.
Однако позже было показано, что демон Максвелла не нарушает законы термодинамики, так как для сортировки молекул ему требуется информация, а получение и обработка информации связаны с затратами энергии, что компенсирует уменьшение энтропии. Этот эксперимент стал важным шагом в понимании связи между термодинамикой, информацией и квантовой физикой.
Установка для обнаружения квантовой запутанности на основе тепловой среды как индикатора. Изображение: доктор Алекссандре де Оливейра Жуниор.
Дополнительная информация: A. de Oliveira Junior et al, Heat as a Witness of Quantum Properties, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.050401. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2408.06418
Источник: Inspired by Maxwell’s demon, heat flow acts as a witness to quantum properties