La chaleur circule des objets chauds vers les objets froids. Lorsqu'un corps chaud et un corps froid sont en contact thermique, ils échangent de l'énergie thermique jusqu'à ce qu'ils atteignent l'équilibre thermique, avec le corps chaud se refroidissant et le corps froid se réchauffant. C'est un phénomène naturel que nous vivons tout le temps. Elle s'explique par la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que l'entropie totale d'un système isolé tend toujours à augmenter avec le temps jusqu'à atteindre un maximum. L'entropie est une mesure quantitative du désordre dans un système. Les systèmes isolés évoluent spontanément vers des états de plus en plus désordonnés et indifférenciés.

Une expérience menée par des chercheurs du Centre brésilien de recherche en physique (CBPF) et de l'Université fédérale de l'ABC (UFABC), ainsi que des collaborateurs d'autres institutions au Brésil et ailleurs, a montré que les corrélations quantiques affectent la façon dont l'entropie est distribuée entre les parties en contact thermique, en inversant le sens de la soi-disant "flèche thermodynamique du temps".

En d'autres termes, la chaleur peut s'écouler spontanément d'un objet froid vers un objet chaud sans qu'il soit nécessaire d'investir de l'énergie dans le processus, comme l'exige un réfrigérateur domestique. Un article décrivant l'expérience avec des considérations théoriques vient d'être publié dans Communication Nature .

Le premier auteur de l'article, Kaonan Micadei, a terminé son doctorat. sous la direction du professeur Roberto Serra et effectue actuellement des recherches postdoctorales en Allemagne. Serre, également l'un des auteurs de l'article, a été soutenu par la FAPESP via l'Institut national brésilien des sciences et technologies en information quantique. La FAPESP a également attribué deux bourses de recherche liées au projet à un autre coauteur, Gabriel Teixeira Landi, professeur à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP).

"On peut dire que les corrélations représentent des informations partagées entre différents systèmes. Dans le monde macroscopique décrit par la physique classique, l'apport d'énergie provenant de l'extérieur peut inverser le flux de chaleur dans un système afin qu'il passe du froid au chaud. C'est ce qui se passe dans un réfrigérateur ordinaire, par exemple, " Serra a déclaré à Agência FAPESP.

"Il est possible de dire que dans notre expérience nanoscopique, les corrélations quantiques produisaient un effet analogue à celui de l'énergie ajoutée. Le sens de l'écoulement a été inversé sans violer la deuxième loi de la thermodynamique. Au contraire, si l'on prend en compte des éléments de la théorie de l'information pour décrire le transfert de chaleur, nous trouvons une forme généralisée de la deuxième loi et démontrons le rôle des corrélations quantiques dans le processus."

L'expérience a été réalisée avec un échantillon de molécules de chloroforme (un atome d'hydrogène, un atome de carbone et trois atomes de chlore) marqués d'un isotope carbone-13. L'échantillon a été dilué en solution et étudié à l'aide d'un spectromètre à résonance magnétique nucléaire, similaire aux scanners IRM utilisés dans les hôpitaux mais avec un champ magnétique beaucoup plus fort.

"Nous avons étudié les changements de température dans les spins des noyaux des atomes d'hydrogène et de carbone. Les atomes de chlore n'avaient aucun rôle matériel dans l'expérience. Nous avons utilisé des impulsions de radiofréquence pour placer le spin de chaque noyau à une température différente, une glacière, un autre réchauffeur. Les différences de température étaient faibles, de l'ordre de dizaines de milliardièmes de 1 Kelvin, mais nous avons maintenant des techniques qui nous permettent de manipuler et de mesurer des systèmes quantiques avec une précision extrême. Dans ce cas, nous avons mesuré les fluctuations de fréquence radio produites par les noyaux atomiques, " dit Serra.

Les chercheurs ont exploré deux situations :dans l'une, les noyaux d'hydrogène et de carbone ont commencé le processus non corrélés, et dans l'autre, elles étaient initialement corrélées quantiquement.

"Dans le premier cas, avec les noyaux non corrélés, nous avons observé un flux de chaleur dans la direction habituelle, du chaud au froid, jusqu'à ce que les deux noyaux soient à la même température. Dans la seconde, avec les noyaux initialement corrélés, nous avons observé un flux de chaleur dans la direction opposée, du froid au chaud. L'effet a duré quelques millièmes de seconde, jusqu'à ce que la corrélation initiale soit consommée, " expliqua Serra.

L'aspect le plus remarquable de ce résultat est qu'il suggère un processus de réfrigération quantique dans lequel l'ajout d'énergie externe (comme cela se fait dans les réfrigérateurs et les climatiseurs pour refroidir un environnement spécifique) peut être remplacé par des corrélations, c'est à dire., un échange d'informations entre objets.

Le démon de Maxwell

L'idée que l'information peut être utilisée pour inverser la direction du flux de chaleur, en d'autres termes, pour provoquer une diminution locale de l'entropie - apparue dans la physique classique au milieu du XIXe siècle, bien avant que la théorie de l'information ne soit inventée.

C'était une expérience de pensée proposée en 1867 par James Clerk Maxwell (1831-1879), qui, entre autres, créé les fameuses équations classiques de l'électromagnétisme. Dans cette expérience de pensée, qui a suscité une vive polémique à l'époque, le grand physicien écossais disait que s'il existait un être capable de connaître la vitesse de chaque molécule d'un gaz et de manipuler toutes les molécules à l'échelle microscopique, cet être pourrait les séparer en deux destinataires, placer des molécules plus rapides que la moyenne dans l'un pour créer un compartiment chaud et des molécules plus lentes que la moyenne dans l'autre pour créer un compartiment froid. De cette façon, un gaz initialement en équilibre thermique grâce à un mélange de molécules plus rapides et plus lentes évoluerait vers un état différencié avec moins d'entropie.

Maxwell voulait que l'expérience de pensée prouve que la deuxième loi de la thermodynamique était simplement statistique.

"L'être qu'il a proposé, qui était capable d'intervenir dans le monde matériel à l'échelle moléculaire ou atomique, est devenu connu comme "le démon de Maxwell." C'était une fiction inventée par Maxwell pour présenter son point de vue. Cependant, nous sommes maintenant capables d'opérer à l'échelle atomique ou même à plus petite échelle, pour que les attentes habituelles soient modifiées, " dit Serra.

L'expérience menée par Serra et ses collaborateurs et décrite dans l'article qui vient d'être publié en est une démonstration. Il n'a pas reproduit l'expérience de pensée de Maxwell, bien sûr, mais il produisit un résultat analogue.

"Quand on parle d'information, nous ne parlons pas de quelque chose d'intangible. L'information nécessite un substrat physique, Un souvenir. Si vous souhaitez effacer 1 bit de mémoire d'un lecteur flash, vous devez dépenser 10, 000 fois une quantité minimale d'énergie constituée de la constante de Boltzmann multipliée par la température absolue. Ce minimum d'énergie nécessaire pour effacer les informations est connu sous le nom de principe de Landauer. Cela explique pourquoi l'effacement des informations génère de la chaleur. Les batteries des ordinateurs portables sont consommées par la chaleur plus que toute autre chose, " dit Serra.

Ce que les chercheurs ont observé, c'est que les informations présentes dans les corrélations quantiques peuvent être utilisées pour effectuer des travaux, dans ce cas le transfert de chaleur d'un objet plus froid vers un objet plus chaud, sans consommer d'énergie externe.

"Nous pouvons quantifier la corrélation de deux systèmes au moyen de bits. Les connexions entre la mécanique quantique et la théorie de l'information créent ce qu'on appelle la science de l'information quantique. Du point de vue pratique, l'effet que nous avons étudié pourrait un jour être utilisé pour refroidir une partie du processeur d'un ordinateur quantique, " dit Serra.