La thermodynamique est l'une des entreprises scientifiques les plus humaines, selon Kater Murch, professeur agrégé de physique en Arts et Sciences à l'Université de Washington à St. Louis.

"Cela a à voir avec notre fascination du feu et notre paresse, " dit-il. " Comment pouvons-nous obtenir du feu " - ou de la chaleur - " pour travailler pour nous ? "

Maintenant, Murch et ses collègues ont ramené cette entreprise la plus humaine à l'échelle quantique intangible - celle des températures ultra basses et des systèmes microscopiques - et ont découvert que, comme dans le monde macroscopique, il est possible d'utiliser des informations pour extraire le travail.

Il y a un hic, cependant :certaines informations peuvent être perdues au cours du processus.

"Nous avons confirmé expérimentalement le lien entre l'information dans le cas classique et le cas quantique, " Murch a dit, "et nous voyons ce nouvel effet de perte d'informations."

Les résultats ont été publiés dans le numéro du 20 juillet de Lettres d'examen physique .

L'équipe internationale comprenait Eric Lutz de l'Université de Stuttgart; J. J. Alonzo de l'Université d'Erlangen-Nuremberg; Alessandro Romito de l'Université de Lancaster; et Mahdi Naghiloo, un assistant de recherche diplômé de l'Université de Washington en physique.

Le fait que nous puissions obtenir de l'énergie à partir d'informations à une échelle macroscopique a été illustré de manière plus célèbre dans une expérience de pensée connue sous le nom de Démon de Maxwell. Le « démon » préside une boîte remplie de molécules. La boîte est divisée en deux par un mur avec une porte. Si le démon connaît la vitesse et la direction de toutes les molécules, il peut ouvrir la porte lorsqu'une molécule en mouvement rapide se déplace de la moitié gauche de la boîte vers le côté droit, le laisser passer. Il peut faire la même chose pour les particules lentes se déplaçant dans la direction opposée, ouvrir la porte lorsqu'une molécule lente s'approche par la droite, dirigé à gauche.

Après un moment, toutes les molécules qui se déplacent rapidement se trouvent sur le côté droit de la boîte. Un mouvement plus rapide correspond à une température plus élevée. De cette façon, le démon a créé un déséquilibre de température, où un côté de la boîte est plus chaud. Ce déséquilibre de température peut être transformé en travail - pousser sur un piston comme dans une machine à vapeur, par exemple. Au début, l'expérience de pensée a semblé montrer qu'il était possible de créer une différence de température sans faire aucun travail, et puisque les différences de température permettent d'extraire du travail, on pourrait construire une machine à mouvement perpétuel - une violation de la deuxième loi de la thermodynamique.

"Finalement, les scientifiques ont réalisé qu'il y a quelque chose dans les informations que le démon a sur les molécules, " Murch a déclaré. "Il a une qualité physique comme la chaleur, le travail et l'énergie."

Son équipe a voulu savoir s'il serait possible d'utiliser des informations pour extraire ainsi des travaux à l'échelle quantique, trop, mais pas en triant les molécules rapides et lentes. Si une particule est dans un état excité, ils pourraient extraire du travail en le déplaçant vers un état fondamental. (S'il était dans un état fondamental, ils ne feraient rien et ne dépenseraient aucun travail).

Mais ils voulaient savoir ce qui se passerait si les particules quantiques étaient dans un état excité et un état fondamental en même temps, analogue à être rapide et lent en même temps. En physique quantique, c'est ce qu'on appelle une superposition.

« Pouvez-vous travailler à partir d'informations sur une superposition d'états énergétiques ? » demanda Murch. "C'est ce que nous voulions savoir."

Il ya un problème, bien que. A l'échelle quantique, obtenir des informations sur les particules peut être un peu… délicat.

"Chaque fois que vous mesurez le système, ça change ce système, " dit Murch. Et s'ils mesuraient la particule pour savoir exactement dans quel état elle se trouvait, il reviendrait à l'un des deux états :excité, ou au sol.

Cet effet est appelé rétroaction quantique. Pour le contourner, en regardant le système, chercheurs (qui étaient les "démons") n'ont pas mis longtemps, regard dur sur leur particule. Au lieu, ils ont pris ce qu'on a appelé une « observation faible ». Il influençait encore l'état de la superposition, mais pas assez pour le déplacer jusqu'à un état excité ou un état fondamental ; il était encore dans une superposition d'états énergétiques. Cette observation suffisait, bien que, permettre aux chercheurs de suivre avec une assez grande précision, exactement dans quelle superposition se trouvait la particule - et c'est important, car la manière dont l'œuvre est extraite de la particule dépend de l'état de superposition dans lequel elle se trouve.

Recevoir des informations, même en utilisant la méthode d'observation faible, les chercheurs devaient encore jeter un coup d'œil à la particule, ce qui signifiait qu'ils avaient besoin de lumière. Alors ils ont envoyé des photons, et observé les photons qui sont revenus.

"Mais le démon manque quelques photons, " Murch a déclaré. "Il obtient seulement environ la moitié. L'autre moitié est perdue." Mais - et c'est la clé - même si les chercheurs n'ont pas vu l'autre moitié des photons, ces photons interagissaient toujours avec le système, ce qui signifie qu'ils ont toujours eu un effet dessus. Les chercheurs n'avaient aucun moyen de savoir quel était cet effet.

Ils ont pris une mesure faible et ont obtenu des informations, mais à cause de la réaction quantique, ils pourraient finir par en savoir moins qu'avant la mesure. Sur la balance, c'est une information négative.

Et c'est bizarre.

"Faire les règles de la thermodynamique pour un macroscopique, monde classique s'appliquent toujours quand on parle de superposition quantique ?", a demandé Murch. "Nous avons trouvé que oui, ils tiennent, sauf qu'il y a ce truc bizarre. Les informations peuvent être négatives.

"Je pense que cette recherche met en évidence à quel point il est difficile de construire un ordinateur quantique, ", a déclaré Murch.

"Pour un ordinateur normal, il fait juste chaud et nous devons le refroidir. Dans l'ordinateur quantique, vous courez toujours le risque de perdre des informations."