Вечный двигатель все-таки существует, но локально

Физикам из МФТИ удалось создать «локальный» вечный двигатель второго рода — квантовое устройство, в котором не соблюдается второе начало термодинамики и КПД которого может достигать 100%*. И все же второе начало в нем нарушается только локально, а в рамках системы в целом законы физики остаются незыблемыми, говорится в статье, опубликованной в журнале Physics Review A.

Этот эффект был обнаружен учеными МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН, когда они как раз пытались доказать справедливость второго закона термодинамики для квантовых систем, но обнаружили, что в квантовом мире он может при определенных условиях нарушаться: энтропия может снижаться, но этот процесс происходит без передачи тепловой энергии, за счет явления квантовой запутанности.

В статье описана квантовая тепловая машина, КПД которой может достигать 100%. Она состоит из нескольких квантовых элементов — кубитов, которые могут находиться в состоянии квантовой запутанности друг с другом.

Один из кубитов поглощает тепло, но в силу его квантовой природы эту энергию можно использовать только с вероятностью 50%. Чтобы извлекать энергию с вероятностью 100%, нужно снизить его энтропию, сделать это состояние «чистым» (в терминологии квантовой механики). Эту задачу решает вспомогательный чистый кубит, который обменивается своим квантовым состоянием с термализованным «грязным» состоянием рабочего кубита. Важно, что при этом передачи энергии между двумя кубитами не происходит.

«Можно сказать, что избыточная энтропия телепортируется из системы наружу во вспомогательный кубит, который играет роль квантового “демона Максвелла”», — объясняет ведущий научный сотрудник лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН Гордей Лесовик.

*Второй закон термодинамики гласит, что тепловая энергия не может переходить от менее горячих объектов к более горячим, или, в иной формулировке, величина энтропии (степени неупорядоченности) в замкнутой системе либо растет, либо остается постоянной. Согласно еще одной формулировке закона, КПД тепловой машины никогда не может достигать 100% — иными словами, вечный двигатель второго рода невозможен.