Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Ученые из Московского физико-технического института с коллегами из США и Швейцарии описали пространственно-разнесенного квантового демона Максвелла - устройство, локально нарушающее второй закон термодинамики в системе, которая находится на расстоянии одного-пяти метров от демона.

Устройство может найти применение в квантовых компьютерах и микроскопических холодильниках точечного действия. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.

Второй закон утверждает, что энтропия, то есть неупорядоченность, энергетически изолированной системы не может самопроизвольно уменьшаться.

«Наш демон делает так, что устройство, которое называется кубитом, переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное, - поясняет ведущий автор исследования Андрей Лебедев, сотрудник МФТИ и Федеральной высшей технической школы Цюриха. - При этом кубит не изменяет свою энергию и находится от демона на огромном, по меркам квантовой физики, расстоянии».

До сих пор авторы исследования и другие физики описывали и конструировали только квантовых демонов Максвелла 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.

Демон-очиститель

Роль кубита в исследовании выполняет сверхпроводящий искусственный атом - микроскопическое устройство, из которого ранее тот же коллектив сделать квантовый магнитометр. 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.

Для кубита характерны «грязные» (смешанные) и «чистые» состояния. Если он пребывает или в основном, или в возбужденном состоянии, но не известно, в каком именно, то говорят о грязном. В таком состоянии можно говорить о классической вероятности найти искусственный атом на одном из своих уровней.

Но как и настоящий атом, кубит может находиться в квантовой суперпозиции основного и возбужденного состояния. Так в квантовой физике описывают особое состояние, которое не тождественно ни одному из двух базисных.

Такое состояние называют чистым, его нельзя описать только в терминах классической вероятности. Оно считается более упорядоченным, но может существовать лишь доли секунды, прежде чем переходит в грязное.

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.

Демон приводится в чистое состояние, затем он обменивается состояниями с рабочим кубитом, отдавая чистое взамен на грязное с такой же энергией. Перейдя в чистое состояние, рабочий кубит снижает свою энтропию, сохранив прежнюю энергию.

Выходит, что демон Максвелла на расстоянии «съедает» энтропию кубита - энергетически изолированной системы. Если смотреть на кубит локально, возникает впечатление, что второй закон нарушен.

Квантовый нанохолодильник

Возможность на расстоянии очищать состояние рабочего кубита ценна с практической точки зрения. В отличие от грязного, чистое состояние кубита можно относительно легко и предсказуемо перевести в основное или в возбужденное при помощи электромагнитного поля.

Эта операция 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.

Еще одно применение связано с тем, что перевод рабочего кубита в чистое состояние и затем в основное вызывает охлаждение точки пространства, где находится кубит. Это значит, что кубит работает как нанохолодильник, которым можно точечно охлаждать, например, участки молекул.

«Обычный холодильник воздействует на весь свой объем, а такой кубитный нанохолодильник будет охлаждать конкретную точку. В ряде случаев это может быть эффективнее, - объясняет соавтор исследования, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ Гордей Лесовик. - Например, в том же квантовом компьютере можно было использовать так называемое алгоритмическое охлаждение - в коде основной, „квантовой“ программы написать подпрограмму, которая будет прицельно охлаждать самые горячие кубиты».

«А поскольку любую тепловую машину можно запустить в обратную сторону, мы имеем еще и точечный нагреватель. Чтобы его включить, нужно переводить рабочий кубит из суперпозиции не в основное, а в возбужденное состояние. Тогда там, где находится кубит, станет горячее», - добавляет ученый.

Обе операции можно проводить многократно, потому что чистое состояние кубита живет доли секунды, после чего оно снова переходит в грязное, поглощая или излучая энергию в случае с холодильником и нагревателем соответственно. На каждом шаге точка нахождения кубита будет остывать или нагреваться сильнее.

Хотя эта температура крайне низка (считаные градусы выше абсолютного нуля), она все же выше рабочей температуры кубитов примерно в 100 раз, что существенно облегчает реализацию предложенной схемы на практике.

Исследование профинансировано Швейцарским национальным научным фондом, Министерством энергетики США, Российским фондом фундаментальных исследований, Фондом развития теоретической физики и математики «БАЗИС», Министерством образования и науки России и правительством России.

Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую. Тогда, через большой промежуток времени, «горячие» (быстрые) молекулы окажутся в правом сосуде, а «холодные» — «останутся» в левом.

Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах (см. Второе начало термодинамики)

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией. Детальный разбор парадокса для механической реализации демона (храповик и собачка) приведён в Фейнмановских лекциях по физике, вып. 4, а также в популярных лекциях Фейнмана «Характер физических законов».

С развитием теории информации было установлено, что процесс измерения может не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым. Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым). Поскольку память конечна, в определенный момент демон вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом.

Успех японских физиков

Японские физики впервые смогли в эксперименте добиться увеличения внутренней энергии системы, используя только информацию о ее состоянии и не передавая ей дополнительной энергии.
Получение энергии из информации впервые теоретически описал британский физик Джеймс Максвелл в своем мысленном эксперименте. В нем некое существо, позднее названное "демоном Максвелла", охраняло дверь между двумя комнатами. Демон, зная энергию приближающейся к двери молекулы, открывает проход только для "быстрых" молекул, закрывая дверь перед "медленными". В результате в одной комнате окажутся все "быстрые" молекулы, а в другой медленные, и возникшую разницу температур можно использовать в практических целях.
Воплощение такой "демонической" энергоустановки требует намного больших энергетических затрат, чем можно извлечь из образующейся разницы температур, поэтому реальные двигатели, работающие по такому принципу, никогда всерьез не рассматривались учеными. Однако интерес к подобным системам вновь возник в последнее время с развитием нанотехнологий.
Авторы исследования, японские физики, возглавляемые Масаки Сано (Masaki Sano) из Токийского университета воплотили на практике мысленный эксперимент с участием "демона Максвелла".
Ученые использовали в работе полимерный объект размером около 300 нанометров, напоминающий бусину. Ее форма подобрана так, что вращаться по часовой стрелке ей энергетически более выгодно, так как это сопровождается высвобождением механической энергии. Вращение против часовой стрелки, напротив, приводит к "закручиванию" бусины и увеличению запасенной ей механической энергии.
Бусину поместили в специальный раствор, и она из-за своих малых размеров начинала принимать участие в броуновском движении и вращаться - как по часовой стрелке, так и против.
Исследователи с помощью специального оборудования отслеживали каждый поворот бусины, и, когда она вращалась против часовой стрелки, прилагали электрическое напряжение к емкости, в которой она находилась. Такая операция не передавала системе дополнительную энергию, но при этом не давала бусине "раскручиваться" назад. Таким образом, используя только информацию о том, куда провернулась бусина, ученые смогли увеличить запас ее механической энергии лишь за счет энергии броуновского движения молекул.
Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Согласно расчетам Сано, эффективность преобразования информации в энергию в их эксперименте составила 28%, что согласуется с теоретическими расчетами.
Такой механизм может использоваться для работы наномашин или молекулярных механизмов, считает Владко Ведрал (Vlatko Vedral), физик из Оксфордского университета, не принимавший участия в эксперименте Сано, мнение которого приводит интернет-издание Nature News.
"Весьма любопытно было бы обнаружить использование этого принципа передачи энергии в живых системах", - добавил ученый.

Как можно получать энергию из информации? До последнего времени на это был способен только демон Максвелла — фантастическое существо, придуманное в 1867 году великим физиком Джеймсом Максвеллом для иллюстрации парадокса второго начала термодинамики. Теперь японские ученые приблизились к выработке такой экспериментальной модели. В будущем они надеются создать наномашины, которые будут «питаться» информацией. Работу ученых публикует Nature Physics .

демон «способен следить за траекторией каждой молекулы и выполнять совершенно недоступные для нас действия».

Другими словами, демон способен различать и сортировать отдельные молекулы. Как же извлекать энергию из этой способности? Представим некий сосуд, разделенный перегородкой на две части (на рисунке). Сосуд заполнен молекулами двух типов: «горячие» (на рисунке темные) частицы движутся быстрее, а «холодные» (светлые на рисунке) движутся медленнее. В состоянии равновесия (верхняя часть рисунка) молекулы перемешаны, как того требует второй закон термодинамики: всякая система в изолированном состоянии стремится к максимальной энтропии, то есть максимуму беспорядка.

Однако в перегородке есть отверстие, которое может открывать и закрывать тот самый демон. Он обладает описанной выше способностью, то есть отличает «горячие» частицы от «холодных». Поэтому он может «поработать» так, чтобы все «горячие» частицы оказались справа от перегородки, а «холодные» слева. Для этого он будет позволять броуновски (беспорядочно) движущимся «горячим» частицами из левой части преодолеть перегородку, а из правой - нет (и проделывать всё наоборот с «холодными» частицами). В результате из неупорядоченного состояния возникнет упорядоченное, что противоречит второму закону термодинамики. Демон Максвелла, пользуясь только информацией о качестве частиц, создаст энергию за счет разности температур в двух частях сосуда, которую затем можно будет использовать.

Таким образом,

первоначально казалось, что демон получает энергию «из ничего» и создает вечный двигатель.

Однако парадокс разрешился, ведь демон сам должен тратить определенную энергию, чтобы получить информацию о хаотично движущихся частицах. Поэтому нарушения законов термодинамики здесь нет: энергия возникает из работы, проделываемой демоном.

Так или иначе, создать физическую работающую модель демона и показать, как он работает, никому не удавалось.

Японские ученые, однако, сообщили в последнем номере Nature Physics об успехе такого эксперимента. Они создали миниатюрного «демона» с помощью полимерного шарика и электрического поля.

В эксперименте использовались два шарика из полистирола, обычного пластика, диаметром 0,3 мкм (300 нм). Один из них закрепили на стеклянной поверхности, а второй был расположен так, что мог свободно вращаться вокруг первого. Всю систему погрузили в жидкость. В результате хаотического движения молекул жидкости система с равной частотой поворачивалась и по, и против часовой стрелки (из-за маленьких размеров шарик успешно «чувствовал» флуктуации жидкости).

Затем к жидкости приложили дополнительное электрическое поле, которое сообщало системе шариков вращательный момент. Картина вращения системы сохранилась. Хотя в некоторых случаях энергия хаотического движения частиц жидкости была достаточной, чтобы повернуть шарик против направления действия электрического поля, все-таки чаще система следовала вращательному моменту, сообщаемому ей полем.

на «сцене» появился сам «демон» в виде камеры и компьютера, контролирующего электрическое поле.

Камера контролировала вращение системы; как только системе удавалось самостоятельно противостоять приложенному электрическому полю, «демон» в компьютере менял его режим, слегка «подталкивая» систему в нужном направлении. Дальше она снова следовала ему сама, используя только силы броуновского движения.

Таким образом вращающаяся система производила механическую энергию. Расчеты показали, что производимая энергия чуть больше, чем энергия электрического поля, приложенного к системе. «Демону» требовалась лишь информация о направлении вращения системы, чтобы ее создать. Оказалось, что при комнатной температуре один бит информации способен создать очень маленькую энергию в 3x10 -21 джоуля.

«Мы показали соотношение информации и энергии, получаемое при работе «демона», и подтвердили фундаментальный принцип его работы», — сказал один из авторов работы Шоичи Тоябе, слова которого приводит NewScientist .

Он подчеркнул, что энергия, производимая системой, ничтожно мала, однако в будущем может быть использована для питания наноустройств.

"Демон Максвелла" - это мысленный эксперимент, придуманный Джеймсом Максвеллом в 1867 году с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики. Главным персонажем этого эксперимента является гипотетическое разумное микроскопическое существо, получившее позднее имя "демон Максвелла".

Предположим, что сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на правую и левую части. В перегородке есть отверстие с устройством, так называемым демоном Максвелла, который позволяет пролетать быстрым, горячим молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным, холодным молекулам - только из правой части сосуда в левую.

Тогда, через какой-то достаточно большой промежуток времени, все горячие молекулы окажутся справа, а холодные - слева. Таким образом, получается, что демон Максвелла без дополнительного подвода энергии может нагреть одну часть сосуда и охладить другую.

В результате получается, что энтропия системы, состоящей из двух половинок, в начальном состоянии больше, чем в конечном,а это противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах, т.е. второму началу термодинамики.

Ведь из второго начала термодинамики вытекает, что невозможно без совершения работы передать тепло от тела с меньшей температурой телу с большей температурой.

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования самого демона Максвелла необходимо передавать ему энергию от стороннего источника. За счёт этой энергии и производилось бы разделение горячих и холодных молекул

Вот такой памятный барельеф появился в честь Джеймса Максвелла и его неуловимого демона на стене одного из университетов США.

А если бы такой демон мог существовать в реальности, то можно было бы создать тепловую машину, которая работала бы без потребления энергии.

С развитием теории информации было установлено, что процесс измерения может не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым.

Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым).

Поскольку память конечна, в определенный момент демон вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом.

В 2010 г. мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из Токийского университета. Ученые отметили, что на создание данного эксперимента их вдохновил знаменитый демон Максвелла. Японским физикам впервые удалось превратить информацию в энергию.

Они создали работающую наноразмерную систему, которая позволяет конвертировать информацию в энергию с КПД около 28 процентов (для сравнения, КПД самых современных двигателей внутреннего сгорания слегка превышает 40 процентов). Ученые не исключают, что в будущем разработанный ими принцип позволит создать системы, в которых размеры и управляемого объекта, и “демона” не будут превышать сотен нанометров.

А в 2015 году физики из Финляндии, России и США создали автономный искусственный демон Максвелла, который был реализован в виде одноэлектронного транзистора со сверхпроводящими алюминиевыми выводами. Демон Максвелла контролирует движение электронов через транзистор.

Установка поможет изучать микроскопические явления в термодинамике и может найти применение в кубитах для квантовых компьютеров.

Что такое "демон Максвелла " и почему уже полтора столетия он волнует умы великих ученых? Все просто. Ученые ищут такие процессы, которые позволяли бы теплу переходить от тел, менее нагретых к телам более нагретым. Но, мы знаем, что тепло может переходить только от горячих тел к холодным. Это называется вторым началом термодинамики, которому бросил вызов "демон Максвелла".

Решить такую задачу, попытался в 1871 г. великий английский ученый Джеймс Максвелл. Некое фантастическое существо – "демон Максвелла" обладало функциями подобного механизма. "Демон Максвелла" обладает столь изощренными способностями, что может следить за каждой отдельной молекулой в ее движениях и знать ее скорость. Если взять сосуд, разделенный перегородкой на две части, и "демон Максвелла" будет сидеть у дверцы в перегородке, мы сможем заставить его открывать дверцу только перед быстрыми или только перед медленными молекулами. "Демон Максвелла" будет пропускать быстрые молекулы в одну часть сосуда, а медленные – в другую, тогда в одной части сосуда и температура, и давление окажутся выше, чем в другой, то есть мы без затраты работы получим неограниченный запас энергии. же для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах.

Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя "демона Максвелла" и сосуд. Для функционирования "демона Максвелла" необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией.

С развитием теории было установлено, что процесс измерения может и не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым. Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым). Поскольку конечна, в определённый момент "демон Максвелла" вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом.

Много раз ученые убедительно доказывали, что "демон Максвелла" лишь шутка великого физика. Действительно, "демон Максвелла" в сосуде с двумя молекулами не эффективен; они в половине случаев могли бы оказаться в какой-либо одной части сосуда. Если же молекул много, то вероятность подобного случая чрезвычайно мала.

Однако страсти не унимаются, "демон Максвелла" старается найти все новые аргументы в свою защиту. В одном из научных журналов, в статье, посвященной этой проблеме, всерьез говорится, что "демон Максвелла" существует только в виде квантового генератора – , который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных молекул.

Однако, до сих пор нет ни строгих доказательств, что "демон Максвелла" существует, ни строгих опровержений этого. "Демон Максвелла" подогревает интерес к дальнейшим поискам.