Fizičari stvaraju termometar za mjerenje ‘kvantnosti’

Izvorna verzija od ovu priču pojavio u Časopis Quanta.

Ako postoji jedan zakon fizike koji se čini lako shvatiti, onda je to drugi zakon termodinamike: toplina spontano teče od toplijih tijela prema hladnijim. Ali sada, nježno i gotovo ležerno, Alexssandre de Oliveira Jr. upravo mi je pokazao da to zapravo uopće ne razumijem.

Uzmite ovu vruću šalicu kave i ovaj hladni vrč mlijeka, rekao je brazilski fizičar dok smo sjedili u kafiću u Kopenhagenu. Dovedite ih u kontakt i, sasvim sigurno, toplina će teći od vrućeg objekta prema hladnom, baš kao što je njemački znanstvenik Rudolf Clausius prvi službeno izjavio 1850. Međutim, u nekim slučajevima, objasnio je de Oliveira, fizičari su naučili da zakoni kvantne mehanike mogu pokretati protok topline u suprotnom smjeru: od hladnog prema vrućem.

To zapravo ne znači da drugi zakon ne funkcionira, dodao je dok mu se kava ohrabrujuće hladila. Samo što je Clausiusov izraz “klasična granica” potpunije formulacije koju zahtijeva kvantna fizika.

Fizičari su počeli cijeniti suptilnost ove situacije prije više od dva desetljeća i od tada istražuju kvantnomehaničku verziju drugog zakona. Sada, de Oliveira, postdoktorski istraživač na Tehničkom sveučilištu u Danskoj, i kolege su pokazali da bi vrsta “anomalnog protoka topline” koja je omogućena na kvantnoj razini mogla imati prikladnu i genijalnu upotrebu.

Može poslužiti, kažu oni, kao laka metoda za otkrivanje “kvantnosti” – osjetiti, na primjer, da je objekt u kvantnoj “superpoziciji” više mogućih vidljivih stanja, ili da su dva takva objekta isprepletena, sa stanjima koja su međusobno ovisna – bez uništavanja tih delikatnih kvantnih fenomena. Takav dijagnostički alat mogao bi se koristiti kako bi se osiguralo da kvantno računalo doista koristi kvantne resurse za izvođenje izračuna. Moglo bi čak pomoći osjetiti kvantne aspekte sile gravitacije, jednog od napetih ciljeva moderne fizike. Sve što je potrebno, kažu istraživači, jest povezati kvantni sustav s drugim sustavom koji može pohraniti informacije o njemu, te s hladnjakom: tijelom koje može apsorbirati puno energije. Ovom postavkom možete pojačati prijenos topline do hladnjaka, premašujući ono što bi bilo dopušteno klasično. Jednostavnim mjerenjem koliko je sudoper vruć, mogli biste otkriti prisutnost superpozicije ili isprepletenosti u kvantnom sustavu.