Nous sommes habitués à ce que la chaleur circule d'objets chauds vers des objets froids, et jamais l'inverse, mais des chercheurs ont maintenant découvert qu'il était possible de réaliser cette astuce dans le domaine étrange de la mécanique quantique.
La chaleur circule normalement du chaud vers le froid
Une tasse de café oubliée se refroidira progressivement à mesure que sa chaleur s'écoule dans l'air ambiant plus frais, mais dans le domaine quantique, il semble que cette expérience puisse être bouleversée. En conséquence, nous devrons peut-être mettre à jour la deuxième loi de la thermodynamique, un principe fondamental de la physique selon lequel l’énergie thermique circule toujours du chaud vers le froid.
Dawei Lu, de l'Université des sciences et technologies du Sud en Chine, et ses collègues ont apparemment enfreint cette loi avec une molécule d'acide crotonique, qui contient des atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Les chercheurs ont utilisé les noyaux de quatre de ses atomes de carbone comme qubits, qui sont les éléments de base des ordinateurs quantiques et peuvent stocker des informations quantiques. Lorsqu'ils sont utilisés dans le calcul, les chercheurs contrôlent normalement les états quantiques des qubits avec des éclats de rayonnement électromagnétique, mais dans ce cas, l'équipe a exploité ce contrôle pour faire circuler la chaleur d'un qubit plus froid et à plus basse température vers un qubit plus chaud.
Cela n’arriverait jamais spontanément à quelque chose dans notre monde macroscopique, comme une tasse de café, car cela nécessiterait une énergie supplémentaire pour alimenter le reflux. Mais dans le contexte quantique, d’autres formes de carburant sont disponibles – en l’occurrence, une forme d’information quantique appelée « cohérence ». « En injectant et en contrôlant cette information quantique, nous pouvons inverser le sens du flux de chaleur », explique Lu. «Nous étions excités.»
Le fait que les lois de la thermodynamique s’effondrent dans le domaine quantique n’est peut-être pas surprenant, puisqu’elles ont été établies au XIXe siècle, environ 100 ans avant la formalisation de la physique quantique. Pour résoudre ce problème, Lu et ses collègues ont calculé la « température apparente » de chaque qubit, qui est une modification de la température conventionnelle qui explique certaines propriétés quantiques d'un objet, comme la cohérence, et ont vu la deuxième loi de la thermodynamique se satisfaire à nouveau et la chaleur circuler d'une température apparente plus élevée vers une température plus basse.
Roberto Serra, de l'Université fédérale ABC au Brésil, affirme que les propriétés quantiques telles que la cohérence peuvent être considérées comme un type de ressource thermodynamique analogue à la façon dont, par exemple, la chaleur est une ressource utilisée pour faire fonctionner une machine à vapeur. Il dit que lorsque ces ressources quantiques et microscopiques sont manipulées, les lois de la thermodynamique peuvent apparemment être enfreintes. « Mais les lois habituelles de la thermodynamique ont été développées en pensant que nous n'avons pas accès à ces états microscopiques. Ce n'est qu'une violation apparente car nous devons écrire de nouvelles lois en considérant que nous avons cet accès », explique Serra.
Les chercheurs souhaitent désormais transformer leur expérience d'inversion de chaleur en un protocole plus pratique pour contrôler la chaleur entre les qubits, explique Lu. Au-delà de la découverte de liens fondamentaux entre l’information quantique et la chaleur, la découverte de nouveaux moyens pratiques de refroidir les qubits pourrait améliorer les ordinateurs quantiques. Cela pourrait être d'une grande importance pour l'industrie naissante de l'informatique quantique, car, en fin de compte, même les ordinateurs conventionnels ne peuvent fonctionner aussi bien que s'ils peuvent éviter de chauffer, explique Serra.
