Физики описали пространственно-разнесенного квантового демона Максвелла — устройство, локально нарушающее второй закон термодинамики в системе, которая находится на расстоянии 1–5 метров от демона. Устройство может использоваться в квантовых компьютерах и нанохолодильниках точечного действия.

Статья с результатами работы опубликована в журнале Physical Review B.

Второй закон термодинамики утверждает, что неупорядоченность энергетически изолированной системы не может самопроизвольно уменьшаться. В новой же работе благодаря описанному демону Максвелла кубит переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. При этом он не изменяет свою энергию и находится от демона на огромном по меркам квантовой физики расстоянии.

Ранее ученые описывали и конструировали квантовых демонов Максвелла только с очень малым радиусом действия. Поскольку демона необходимо особым образом подготовить перед каждым взаимодействием с кубитом, а на это уходит энергия, глобально второй закон не нарушается.

Роль кубита в исследовании выполняет сверхпроводящий искусственный атом — микроскопическое устройство. Такой кубит состоит из тонких пленок алюминия, нанесенных на кремниевый чип. Эта система называется искусственным атомом потому, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, она ведет себя как атом с двумя энергетическими уровнями: основным и возбужденным. Роль демона выполняет второй такой же кубит. Он присоединяется к рабочему кубиту коаксиальным кабелем, который проводит микроволновые сигналы.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, оказавшись связанными, кубиты начинают самопроизвольно обмениваться виртуальными фотонами — порциями микроволнового излучения. Посредством фотонов кубиты меняются состояниями. В результате этого демон Максвелла на расстоянии «съедает» энтропию кубита — энергетически изолированной системы. Если смотреть на кубит локально, возникает впечатление, что второй закон нарушен.

Возможность управляемо изменять состояние кубита нужна для работы квантового компьютера: при его запуске требуется перевести все кубиты в основное состояние. При этом присутствие демона вблизи кубитов нежелательно, так как процесс его очистки может губительно повлиять на состояние компьютера. Кроме того, открытие ученых можно применять и при создании своеобразного нанохолодильника. Дело в том, что при переходе в основное состояние кубит охлаждается.

«Обычный холодильник воздействует на весь свой объем, а такой кубитный нанохолодильник будет охлаждать конкретную точку. В ряде случаев это может быть эффективнее, — объясняет один из авторов исследования, сотрудник МФТИ Гордей Лесовик. — Например, в том же квантовом компьютере можно было бы использовать так называемое алгоритмическое охлаждение: в коде основной «квантовой» программы написать подпрограмму, которая будет прицельно охлаждать самые горячие кубиты».