Забудьте всё, что знали о тепле. Квантовые демоны Максвелла уже рядом — и они играют по своим правилам

Одна из самых известных концепций физики — второе начало термодинамики — гласит, что тепло самопроизвольно переходит от более тёплого тела к более холодному. Однако недавние исследования показывают, что в микромире, где господствуют законы квантовой механики, эта закономерность работает не так однозначно. Группа учёных под руководством Алекссандре де Оливейры-младшего из Технического университета Дании показала, что аномальный тепловой поток в квантовых системах может быть не только допустимым, но и использоваться для диагностики самих квантовых эффектов — таких как суперпозиция и запутанность — без их разрушения.

В классической физике второе начало термодинамики впервые было сформулировано Рудольфом Клаузиусом в 1850 году. Его выражение стало фундаментом представления о необратимости тепловых процессов: температура стремится к выравниванию, а энтропия — к максимуму. Но с появлением квантовой механики стало ясно, что классическая формулировка — это лишь предельный случай более общей квантовой теории, в которой вступают в игру корреляции и информация.

На квантовом уровне частицы могут находиться в состоянии суперпозиции — то есть одновременно в нескольких возможных состояниях — или быть запутанными, когда состояние одной частицы мгновенно зависит от состояния другой, вне зависимости от расстояния между ними. Эти явления лежат в основе квантовых вычислений, криптографии и других перспективных технологий. Однако прямое измерение суперпозиции или запутанности обычно приводит к их разрушению. Это делает диагностику «квантовости» крайне сложной задачей.

Выходом может стать термодинамика. Если соединить квантовую систему с «тепловым стоком» — телом, способным поглощать энергию, — и одновременно с системой, способной хранить информацию о квантовом состоянии, то можно зафиксировать превышение классически допустимого теплового потока. По количеству переданной энергии можно судить о наличии запутанности или суперпозиции в квантовом объекте — при этом не нарушая его состояние. Такой подход превращает теплообмен в своего рода детектор квантовых эффектов.

В основе этого метода лежит фундаментальная связь между теплом, энтропией и информацией. Она была впервые осознана ещё в XIX веке, когда Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент с «демоном» — гипотетическим существом, которое, наблюдая за молекулами газа и управляя заслонкой между двумя камерами, могло создавать разность температур без затраты энергии, тем самым, казалось бы, нарушая второе начало термодинамики.

Парадокс Максвелла оставался неразрешённым почти столетие, пока в 1961 году Рольф Ландауэр не показал, что сам процесс удаления информации из памяти демона требует затраты энергии и увеличивает энтропию. В итоге оказывается, что информация — это полноценный физический ресурс, и её обработка подчиняется законам термодинамики. Экспериментальные подтверждения этому были получены в 2010 году.

Однако с приходом квантовой механики стало понятно, что у таких демонов могут быть новые, неожиданные возможности. Квантовая запутанность создаёт взаимную информацию между объектами, позволяя извлекать свойства одного, наблюдая за другим. Если эти корреляции достаточно сильны, они могут использоваться как топливо — буквально «сжигаться» для перекачивания тепла в направлении, невозможном в классической физике. Этот эффект называют аномальным тепловым потоком.

В 2008 году физик Хоссейн Партови показал, что при наличии запутанности поток тепла может спонтанно идти от холодного тела к горячему — при этом второе начало термодинамики формально не нарушается, потому что в процессе расходуются квантовые корреляции, и их разрушение компенсирует «неправильное» направление потока. Энергия не возникает из ниоткуда: она оплачивается информацией.

В 2010-х годах физики, включая Влатко Ведрала и Часлава Брукнера, предложили использовать макроскопические термодинамические величины — например, теплоёмкость или отклик на магнитное поле — как индикаторы квантовой запутанности. Они показали, что при определённых условиях эти параметры могут содержать сигнатуру корреляций, недоступных в классических системах.

К 2020-м годам идея эволюционировала в сторону практической реализации. Исследователь Патрык Липка-Бартосик предложил использовать «квантового демона» — систему с квантовой памятью, способной участвовать в коррелированном теплообмене между горячим и холодным телами. Память может быть запутана с обоими объектами и тем самым получать доступ ко всем их взаимным связям. Такая система не только усиливает тепловой поток, но и, как катализатор, не теряет собственную информацию — возвращаясь к исходному состоянию после завершения процесса.

Работа де Оливейры, опубликованная в 2025 году в соавторстве с Липкой-Бартосиком и Джонатаном Боэром Браском, идёт ещё дальше. Исследователи изменили схему: вместо двух коррелированных квантовых тел они использовали одно — например, совокупность кубитов в квантовом компьютере — и простой тепловой сток. Квантовая память при этом запутана и с системой, и со стоком. Это позволяет ей катализировать передачу энергии от системы к стоку сверх классического предела. При этом энтропия квантовой системы переходит в энергию теплового резервуара. Иными словами, чем выше температура стока — тем выше уровень «квантовости» исходной системы. Важнейшее достоинство метода в том, что сток не запутан с системой напрямую, а значит, измерение его состояния не разрушает исходные квантовые свойства.

Такой подход может использоваться для контроля работы квантовых компьютеров: достаточно измерить изменение энергии у теплового элемента, чтобы подтвердить наличие запутанности среди кубитов. Сложность метода минимальна: в роли памяти можно использовать один кубит, в роли стока — группу частиц, с которой память взаимодействует. Однако требуется очень точный контроль над системой, чтобы исключить паразитные источники тепла.

В перспективе метод может оказаться полезным и для фундаментальной физики. Одна из самых сложных задач — экспериментально установить, квантуется ли гравитация. Несколько групп пытаются зафиксировать появление запутанности между двумя массами, вызванной исключительно гравитационным притяжением. Новая методика может предложить альтернативный путь: измеряя теплообмен между такими телами, можно установить наличие или отсутствие квантовой корреляции, не прибегая к прямым наблюдениям.

Де Оливейра и его коллеги уже обсуждают возможность экспериментального подтверждения своей теории. Они рассчитывают воспользоваться системой, созданной Роберто Серрой в Федеральном университете ABC в Бразилии, где в качестве кубитов используются спины атомов углерода и водорода в молекулах хлороформа. Если удастся зафиксировать усиленный поток тепла между этими атомами при наличии квантовой когерентности, это станет подтверждением концепции.

Таким образом, термодинамика снова выходит на передний план в изучении квантовой природы мира. Как отметил Ведрал, было бы по-настоящему изящно, если бы один из самых глубоких вопросов современной физики — действительно ли гравитация является квантовой силой — можно было бы решить с помощью такой простой макроскопической процедуры, как измерение температуры.