Plus de 150 ans après que le célèbre scientifique écossais James Clerk Maxwell a introduit l'idée pour la première fois, le concept du démon de Maxwell continue de laisser perplexe les physiciens et les informaticiens. Le démon qu'il a imaginé dans une expérience de pensée, qui pourrait trier les particules rapides et lentes dans des côtés séparés d'un conteneur, semblait violer la deuxième loi de la thermodynamique. En tenant compte de la mémoire du démon, les physiciens ont pu mettre le démon en conformité avec les lois de la mécanique statistique pour les systèmes classiques, mais la situation est redevenue controversée lorsque des moteurs à chaleur quantique ont été proposés, alors que les physiciens de la thermodynamique et les théoriciens de l'information se disputaient des explications viables. Les résultats récents de la modélisation physique peuvent rapprocher les différents arguments.

"Nous avons voulu montrer un lien entre l'informatique et la thermodynamique, " explique Stella Seah, un doctorat étudiant à l'Université nationale de Singapour. Seah a travaillé avec Stefan Nimmrichter et Valerio Scarani à l'Institut Max Planck pour la science de la lumière et à l'Université nationale de Singapour. En modélisant un système physique avec un "démon Maxwell inférieur" qui n'a qu'un accès limité au système, ils ont pu montrer d'où viennent les augmentations d'entropie, ainsi que si cette entropie conduit à ce qui pourrait être décrit comme de la chaleur quantique ou un véritable travail effectué.

Conflits quantiques

Dans les systèmes quantiques, les mesures peuvent changer l'état d'un système, et c'est là que les implications pour la deuxième loi de la thermodynamique entrent en jeu. Si la mesure est incompatible avec le système quantique - ce que les physiciens quantiques décriraient comme un hamiltonien qui ne commute pas - alors la mesure introduit de l'énergie. Que ce changement d'énergie doive être qualifié de « travail accompli » ou de « chaleur quantique » reste une question épineuse. Certains diront qu'avec des mesures répétées, la chaleur se dissipe, que l'énergie est passive et ne peut être exploitée, et qu'en tout cas, considérer la mesure comme un canal dissipatif qui n'agit que sur le système méconnaît à tort l'appareil de mesure.

Alors que les différends sur le sujet occupent souvent des domaines abstraits de la théorie de l'information et des abstractions thermodynamiques, Seah, Nimmrichter et Scarani ont souhaité développer une approche plus pragmatique. Ils considèrent un système d'un qubit en contact avec un réservoir thermique qui peut le promouvoir à un état excité. Le qubit est couplé à un pointeur qui change de position macroscopiquement en fonction de l'état interne du qubit. Seah suggère de considérer le pointeur comme un ressort, ou peut-être une molécule oscillant dans un puits quantique, où la position pour l'énergie minimale change de position en fonction de l'état du qubit.

Le moindre de deux démons

La principale différence entre ce système et les scénarios habituels rencontrés par les démons de Maxwell est que le démon ne peut accéder qu'aux informations sur le pointeur. En utilisant leur modèle, Seah, Nimmrichter et Scarani ont révélé qu'avec ce démon Maxwell inférieur, le système pourrait permettre un retour de mesure tel que des flips de spin Rabi sur le qubit qui serait défini comme un travail utile, ainsi que d'autres augmentations d'entropie qui pourraient être décrites comme un chauffage quantique.

Le modèle semble faire des percées significatives sur un argument qui a été mené pendant des décennies, mais Seah dit qu'elle n'a pas été vraiment surprise d'atteindre ce résultat. "Ce qui m'a surpris, c'est quand nous avons découvert que si vous utilisez un pointeur macroscopique, vous obtenez un comportement différent d'un pointeur microscopique". Ce n'est que lorsque les décalages de position du pointeur sont très supérieurs aux fluctuations thermiques que la mesure augmente l'entropie d'une manière qui serait définie comme un travail effectué. vous n'avez pas besoin de faire des courses distinctes comme pour un moteur thermique classique. "Vous pouvez faire les mesures au hasard et tout se passe en continu, agréable et fluide, " dit Seah.

Prochain, elle s'intéresse à ce qui se passe pour des états spécifiques (où il pourrait y avoir un enchevêtrement ou une supposition) et s'il pourrait y avoir un avantage quantique là-bas.

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