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逆向きの熱は、熱力学の法則が量子アップデートを必要とする可能性を示している

通常、熱は熱い方から冷たい方へ流れます。クリャクスン/シャッターストック 忘れられた一杯のコーヒーは、その熱が周囲の冷たい空気に流れ込み、徐々に冷えていきますが、量子の領域では、この経験が逆転する可能性があるようです。その結果、熱力学の第 2 法則、熱エネルギーは常に高温から低温に流れるという物理学の基本原理を更新する必要があるかもしれません。 中国の南方科学技術大学のダウェイ・ルー氏とその同僚らは、炭素、水素、酸素の原子を含むクロトン酸の分子を使って、この法則を破ったようだ。研究者らは、その炭素原子のうち 4 つの原子核を量子ビットとして使用しました。量子ビットは、量子コンピューターの基本構成要素であり、量子情報を保存できます。計算に使用する場合、研究者は通常、電磁放射のバーストによって量子ビットの量子状態を制御しますが、今回の場合、チームはこの制御を活用して、より低温で温度の低い量子ビットからより高温の量子ビットに向かって熱が流れるようにしました。 逆流を促進するために余分なエネルギーが必要となるため、これは私たちの巨視的な世界の何か、たとえば一杯のコーヒーに自然発生的に起こることは決してありません。しかし、量子環境では、他の形式の燃料も利用できます。この場合は、「コヒーレンス」と呼ばれる量子情報の形式です。 「この量子情報を注入して制御することで、熱流の方向を逆転させることができます」とルー氏は言います。 「私たちは興奮していました。」 熱力学法則が量子領域で破綻するという事実は、おそらく驚くべきことではありません。なぜなら、熱力学法則は量子物理学が正式に確立される約 100 年前の 19 世紀に定められたからです。この問題を解決するために、Lu 氏らは各量子ビットの「見かけの温度」を計算しました。これは、コヒーレンスなどの物体の量子特性の一部を説明する従来の温度を修正したもので、熱力学の第 2 法則が再び満たされ、より高い見かけの温度からより低い見かけの温度へ熱が流れることを確認しました。 ブラジルのABC連邦大学のロベルト・セラ氏は、コヒーレンスのような量子特性は、たとえば熱が蒸気エンジンを動作させるために使用される資源であるのと同様に、熱力学的資源の一種と考えることができると述べています。これらの量子的で微視的な資源が操作されると、熱力学の法則は明らかに破られる可能性があると彼は言います。 「しかし、通常の熱力学法則は、私たちがこれらの微視的な状態にアクセスできないと考えて開発されました。このアクセスがあることを考慮して新しい法則を作成する必要があるため、これは明らかな違反です」とセラ氏は言います。 研究者らは現在、熱反転実験を量子ビット間の熱を制御するためのより実用的なプロトコルに変えたいと考えている、とルー氏は言う。量子情報と熱の間の基本的な関係を明らかにするだけでなく、量子ビットを冷却するための新しい実用的な方法を見つけることで、量子コンピューターを改善できる可能性があります。これは急成長する量子コンピューティング業界にとって非常に重要になる可能性があるが、最終的には従来型のコンピューターでも、加熱を回避できなければ機能しないからだ、とセラ氏は言う。 トピック:量子コンピューティング/量子物理学 #逆向きの熱は熱力学の法則が量子アップデートを必要とする可能性を示している