蒸したコーヒーの熱は周囲の冷たい空気に流れ込み、ゆっくりと冷えますが、量子の領域では、この経験を逆転させることができるようです。その結果、熱力学の第 2 法則、つまり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・ルー氏らは、炭素、水素、酸素原子からなるクロトン酸の分子を使って、この法則を破った。研究者らは、その4つの炭素原子の原子核を量子ビットとして使用した。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る。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、研究チームは、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熱を流すことでこの制御を利用しました。

これは、背後の流れを促進するために追加のエネルギーが必要になるため、一杯のコーヒーなど、私たちの巨視的な世界にあるものでは決して自然に起こりません。しかし、量子環境では、他の形式の燃料が利用可能です。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ないでしょう。なぜなら、熱力学法則は量子物理学が正式に確立されるほぼ 100 年前の 19 世紀に決定されたからです。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、物体の特定の量子特性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、熱が高い見かけの温度から低い温度に流れることを観察しました。

ブラジルのABC連邦大学のロベルト・セラ氏は、例えば熱が蒸気エンジンを駆動するために使用される資源であるのと同じように、コヒーレンスなどの量子特性は熱力学的資源の一種と考えることができると述べている。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。これは明らかな違反です。なぜなら、私たちはこのような状態にアクセスできると考えて新しい法則を書かなければならないからです」とセラ氏は言う。

ルー氏は、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換したいと考えていると述べた。量子情報と熱の間の基本的な関係を明らかにすることに加えて、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は、量子コンピューターの改善につながる可能性があります。セラ氏は、これは成長を続け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と述べ、結局のところ、従来のコンピューターでさえ、過熱を回避できなければ機能できないと述べています。