Kuantum dünyası termodinamiğe meydan okuyor! Isı tersine akabilir mi?

Günlük hayatta basit bir kuralı biliriz.

Isı her zaman sıcaktan soğuğa akar.

Masada unutulan bir fincan kahve zamanla soğur çünkü ısısını daha serin olan havaya bırakır.

Ancak kuantum dünyasında işler sandığımız gibi yürümeyebilir.

Yeni bir deney, bu tanıdık deneyimin tersine çevrilebileceğini ortaya koydu.Bu gelişme, fiziğin en temel ilkelerinden biri olan termodinamiğin ikinci yasının kuantum ölçekte yeniden ele alınması gerekebileceğini gösteriyor.

Söz konusu yasa, ısı enerjisinin daima sıcak olandan soğuk olana aktığını söyler.

Fakat yeni bulgular bu kuralın evrenselliğini tartışmaya açıyor.Kuantum deneyinde ısı akışı tersine çevrildiÇin’deki Southern University of Science and Technology bünyesinde çalışan Dawei Lu ve ekibi, karbon, hidrojen ve oksijen atomları içeren krotonik asit molekülü üzerinde çalıştı.

Araştırmacılar, moleküldeki dört karbon atomunun çekirdeğini kübit olarak kullandı.

Kübitler, kuantum bilgisayarların temel yapı taşları ve kuantum bilgiyi depolayabilen birimler olarak biliniyor.Normal şartlarda araştırmacılar, hesaplama sırasında kübitlerin kuantum durumlarını elektromanyetik radyasyon darbeleriyle kontrol ediyor.

Bu deneyde ise ekip, aynı kontrol mekanizmasını kullanarak ısıyı daha düşük sıcaklıktaki bir kübitten daha yüksek sıcaklıktaki bir kübite doğru akıtmayı başardı.Makroskobik dünyada, örneğin bir fincan kahvede, böyle bir sürecin kendiliğinden gerçekleşmesi mümkün değil.

Isının ters yönde akabilmesi için ek bir enerji kaynağı gerekir.

Ancak kuantum ortamda farklı bir “yakıt” türü devreye giriyor: koherens adı verilen bir kuantum bilgi biçimi.

Lu, “Bu kuantum bilgiyi sisteme enjekte edip kontrol ederek ısı akışının yönünü tersine çevirebiliyoruz” diyerek sonuçların kendilerini heyecanlandırdığını belirtiyor.Termodinamiğin ikinci yasası kuantumda yeniden yazılıyorTermodinamik yasalarının kuantum ölçekte sorgulanması aslında şaşırtıcı değil.

Bu yasalar 19. yüzyılda ortaya kondu; yani kuantum fiziğinin formel olarak geliştirilmesinden yaklaşık 100 yıl önce.

Bu çelişkiyi çözmek için Lu ve ekibi, her bir kübit için “görünür sıcaklık” adını verdikleri bir kavram hesapladı.

Bu kavram, klasik sıcaklık tanımının kuantum özellikleriyle, özellikle de koherensle genişletilmiş bir versiyonu.

Kuantum özellikler hesaba katıldığında, termodinamiğin ikinci yasasının yeniden sağlandığı ve ısının daha yüksek görünür sıcaklıktan daha düşük görünür sıcaklığa aktığı görüldü.Brezilya’daki Federal University of ABC araştırmacılarından Roberto Serra’ya göre koherens gibi kuantum özellikler, tıpkı bir buhar makinesini çalıştırmak için kullanılan ısı gibi, bir tür termodinamik kaynak olarak değerlendirilebilir.

Serra, kuantum ölçekli bu mikroskobik kaynaklar manipüle edildiğinde termodinamik yasalarının ihlal ediliyormuş gibi görünebileceğini söylüyor.Ancak Serra’ya göre bu durum gerçek bir ihlal değil.

Klasik termodinamik yasaları, bu mikroskobik durumlara erişimimiz olmadığı varsayımıyla geliştirildi.

Yeni yasaların, artık bu durumlara erişebildiğimiz gerçeği dikkate alınarak yazılması gerekiyor.Kuantum bilgisayarlar için yeni bir soğutma yoluAraştırmacılar şimdi ısıyı tersine çevirme deneyini, kübitler arasında ısı kontrolünü sağlayabilecek daha pratik bir protokole dönüştürmeyi hedefliyor.

Kuantum bilgi ile ısı arasındaki temel bağlantıları ortaya koymanın ötesinde, kübitleri daha etkin biçimde soğutmanın yollarını bulmak kuantum bilgisayarların performansını artırabilir.

Hızla büyüyen kuantum bilişim sektörü için bu tür gelişmeler kritik önem taşıyor.Serra’nın vurguladığı gibi, geleneksel bilgisayarlar bile ancak ısınmayı ne kadar iyi kontrol edebildikleri ölçüde verimli çalışabiliyor.

Aynı prensip kuantum bilgisayarlar için çok daha hassas ve belirleyici olabilir.

Isının yön değiştirebildiği bir kuantum gelecek, hem temel fizik anlayışımızı hem de geleceğin işlemcilerini derinden etkileyebilir.