Kvantový svet Maxwellovho démona
Vedci z Fyzikálneho ústavu Slovenskej akadémie vied, v. v. i., v spolupráci s výskumníkmi z Univerzity v japonskej Nagoji ukázali, že kvantová teória a druhý termodynamický zákon, hoci logicky nezávislé, môžu bez rozporu koexistovať.
Štúdia publikovaná v prestížnom časopise npj Quantum Information opisuje matematický model kvantového Maxwellovho démona – hypotetickej bytosti, ktorá svojím pozorovaním ovplyvňuje termodynamické procesy. Výsledkom sú rovnice popisujúce vzťah medzi prácou, ktorú démon z termodynamického systému získa, a energiou vynaloženou na fungovanie démona, t. j. na proces merania a vymazanie jeho pamäte.
Kľúčovým zistením je, že za určitých kvantových podmienok môže byť získaná práca väčšia ako práca vynaložená, čo zdanlivo odporuje druhému termodynamickému zákonu. „Tento objav bol taký vzrušujúci, ako aj nečakaný. Naznačuje, že kvantová teória nie je vždy proti démonovi odolná. V jej rámci existujú skryté možnosti, kde by Maxwellov démon mohol svoje magické schopnosti uplatňovať,“ hovorí Shintaro Minagawa, spoluautor výskumu.
Napriek tomu vedci zdôrazňujú, že druhý zákon termodynamiky ohrozený nie je. „Naša práca dokazuje, že je možné navrhnúť kvantové procesy tak, aby zákon rešpektovali,“ uvádza Hamed Mohammady, pracovník Centra pre výskum kvantovej informácie na Fyzikálnom ústave, v. v. i. „Inými slovami, kvantová teória síce môže druhý termodynamický zákon porušiť, ale nemusí. To vytvára pozoruhodnú súhru medzi kvantovou mechanikou a termodynamikou: zostávajú nezávislé, no nikdy si zásadne neprotirečia.“
Prof. Francesco Buscemi z Univerzity v Nagoji dopĺňa: „V štúdii ukazujeme, že kvantová teória je od druhého termodynamického zákona úplne nezávislá. Môže ho porušiť jednoducho preto, že o ňom vôbec ´nevie´. A zároveň – čo je rovnako fascinujúce – každý kvantový proces je možné realizovať bez jeho porušenia. Stačí pridať ďalšie systémy, kým sa termodynamická rovnováha neobnoví.“
Článok predstavuje významný prínos pre pochopenie vzťahu medzi kvantovou mechanikou a termodynamikou a zaznamenal silný ohlas v odborných aj laických médiách.
Článok: npj Quantum Inf. 11 (2025) 1, 18, npj Quantum Inf. 11 (2025) 18
Zdroj a kontakty: Andrej Liptaj, andrej.liptaj@savba.sk, Mário Ziman, mario.ziman@savba.sk Hamed Mohammady, m.hamed.mohammady@savba.sk
Foto: nature.com