تُظهر الحرارة العكسية أن قوانين الديناميكا الحرارية قد تحتاج إلى تحديث كمي

سوف يبرد فنجان القهوة المنسي تدريجيًا مع تدفق حرارته إلى الهواء المحيط البارد، ولكن في عالم الكم، يبدو أن هذه التجربة يمكن أن تنقلب رأسًا على عقب. ونتيجة لذلك، قد نحتاج إلى تحديث القانون الثاني للديناميكا الحرارية، وهو مبدأ أساسي في الفيزياء ينص على أن الطاقة الحرارية تتدفق دائمًا من الساخن إلى البارد.

ويبدو أن داوي لو – من الجامعة الجنوبية للعلوم والتكنولوجيا في الصين – وزملاؤه قد خرقوا هذا القانون باستخدام جزيء من حمض الكروتونيك، الذي يحتوي على ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. استخدم الباحثون نوى أربع من ذرات الكربون على شكل كيوبتات، وهي اللبنات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ويمكنها تخزين المعلومات الكمومية. عند استخدامها في الحساب، يتحكم الباحثون عادةً في الحالات الكمومية للكيوبتات من خلال دفعات من الإشعاع الكهرومغناطيسي، لكن في هذه الحالة، استفاد الفريق من هذا التحكم لجعل الحرارة تتدفق من كيوبت أكثر برودة وأقل درجة حرارة نحو كيوبت أكثر سخونة بدلاً من ذلك.

لن يحدث هذا أبدًا تلقائيًا لشيء ما في عالمنا المجهري، مثل فنجان قهوة، لأنه سيتطلب طاقة إضافية لتغذية التدفق العكسي. ولكن في البيئة الكمومية، تتوفر أشكال أخرى من الوقود – في هذه الحالة، شكل من أشكال المعلومات الكمومية يسمى “التماسك”. يقول لو: “من خلال حقن هذه المعلومات الكمومية والتحكم فيها، يمكننا عكس اتجاه تدفق الحرارة”. “كنا متحمسين.”

حقيقة أن قوانين الديناميكا الحرارية تنهار في عالم الكم ربما لا تكون مفاجئة، حيث تم وضعها في القرن التاسع عشر، أي قبل حوالي 100 عام من إضفاء الطابع الرسمي على فيزياء الكم. ولحل هذه المشكلة، قام لو وزملاؤه بحساب “درجة الحرارة الظاهرة” لكل كيوبت، وهي عبارة عن تعديل لدرجة الحرارة التقليدية التي تفسر بعض الخصائص الكمومية للجسم، مثل التماسك، ورأوا أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية أصبح محققًا مرة أخرى وتدفق الحرارة من درجة حرارة واضحة أعلى إلى درجة حرارة أقل.

يقول روبرتو سيرا من جامعة ABC الفيدرالية في البرازيل إن الخصائص الكمومية مثل التماسك يمكن اعتبارها نوعًا من الموارد الديناميكية الحرارية المشابهة، على سبيل المثال، لكيفية استخدام الحرارة لتشغيل المحرك البخاري. ويقول إنه عندما يتم التلاعب بهذه الموارد الكمومية المجهرية، فمن الممكن كسر قوانين الديناميكا الحرارية على ما يبدو. يقول سيرا: “لكن القوانين المعتادة للديناميكا الحرارية تم تطويرها معتقدين أننا لا نستطيع الوصول إلى هذه الحالات المجهرية. وهذا مجرد انتهاك واضح لأنه يتعين علينا كتابة قوانين جديدة مع الأخذ في الاعتبار أننا نملك هذا الوصول”.

يقول لو إن الباحثين يريدون الآن تحويل تجربة عكس الحرارة إلى بروتوكول أكثر عملية للتحكم في الحرارة بين الكيوبتات. بالإضافة إلى الكشف عن الروابط الأساسية بين المعلومات الكمومية والحرارة، فإن إيجاد طرق عملية جديدة لتبريد الكيوبتات يمكن أن يؤدي إلى تحسين أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يقول سيرا إن هذا يمكن أن يكون ذا أهمية كبيرة لصناعة الحوسبة الكمومية المزدهرة، لأنه في نهاية المطاف، حتى أجهزة الكمبيوتر التقليدية لا يمكنها العمل إلا بشكل جيد مع تجنب ارتفاع درجة حرارتها.