La termodinamica è una delle imprese scientifiche più umane, secondo Kater Murch, professore associato di fisica in Arts &Sciences presso la Washington University di St. Louis.

"Ha a che fare con il nostro fascino del fuoco e la nostra pigrizia, " disse. "Come possiamo far sì che il fuoco" - o il calore - "svolga un lavoro per noi?"

Ora, Murch e colleghi hanno portato l'impresa più umana alla scala quantistica intangibile, quella delle temperature ultra basse e dei sistemi microscopici, e hanno scoperto che, come nel mondo macroscopico, è possibile utilizzare le informazioni per estrarre il lavoro.

C'è una cattura, però:alcune informazioni potrebbero andare perse durante il processo.

"Abbiamo confermato sperimentalmente la connessione tra le informazioni nel caso classico e il caso quantistico, "Muro ha detto, "e stiamo assistendo a questo nuovo effetto della perdita di informazioni".

I risultati sono stati pubblicati nel numero del 20 luglio di Lettere di revisione fisica .

Il team internazionale comprendeva Eric Lutz dell'Università di Stoccarda; J. J. Alonzo dell'Università di Erlangen-Norimberga; Alessandro Romito dell'Università di Lancaster; e Mahdi Naghiloo, un assistente di ricerca laureato alla Washington University in fisica.

Il fatto che possiamo ottenere energia da informazioni su scala macroscopica è stato illustrato in modo più famoso in un esperimento mentale noto come Demone di Maxwell. Il "demone" presiede una scatola piena di molecole. La scatola è divisa a metà da un muro con una porta. Se il demone conosce la velocità e la direzione di tutte le molecole, può aprire la porta quando una molecola in rapido movimento si sposta dalla metà sinistra della scatola al lato destro, permettendogli di passare. Può fare lo stesso per le particelle lente che si muovono nella direzione opposta, aprendo la porta quando una molecola che si muove lentamente si avvicina da destra, diretto a sinistra.

Dopo un po, tutte le molecole che si muovono rapidamente sono sul lato destro della scatola. Un movimento più veloce corrisponde a una temperatura più alta. In questo modo, il demone ha creato uno squilibrio di temperatura, dove un lato della scatola è più caldo. Questo squilibrio di temperatura può essere trasformato in lavoro:spingere su un pistone come in una macchina a vapore, ad esempio. All'inizio l'esperimento mentale sembrava mostrare che era possibile creare una differenza di temperatura senza fare alcun lavoro, e poiché le differenze di temperatura consentono di estrarre lavoro, si potrebbe costruire una macchina del moto perpetuo, una violazione della seconda legge della termodinamica.

"Infine, gli scienziati hanno capito che c'è qualcosa nelle informazioni che il demone ha sulle molecole, "Ha detto Murch. "Ha una qualità fisica come il calore, il lavoro e l'energia".

Il suo team voleva sapere se sarebbe stato possibile utilizzare le informazioni per estrarre lavoro in questo modo su scala quantistica, pure, ma non ordinando molecole veloci e lente. Se una particella è in uno stato eccitato, potrebbero estrarre lavoro spostandolo in uno stato fondamentale. (Se fosse in uno stato fondamentale, non farebbero nulla e non spenderebbero alcun lavoro).

Ma volevano sapere cosa sarebbe successo se le particelle quantistiche fossero in uno stato eccitato e in uno stato fondamentale allo stesso tempo, analogo ad essere veloce e lento allo stesso tempo. Nella fisica quantistica, questo è noto come sovrapposizione.

"Puoi ottenere lavoro da informazioni su una sovrapposizione di stati energetici?" chiese Murch. "Questo è quello che volevamo scoprire."

C'è un problema, anche se. Su scala quantistica, ottenere informazioni sulle particelle può essere un po'... complicato.

"Ogni volta che si misura il sistema, cambia quel sistema, " disse Murch. E se misurassero la particella per scoprire esattamente in che stato si trovava, ritornerebbe a uno dei due stati:eccitato, o terra.

Questo effetto è chiamato backaction quantistico. Per aggirarlo, guardando il sistema, i ricercatori (che erano i "demoni") non ci misero molto, sguardo duro alla loro particella. Anziché, hanno preso quella che è stata definita una "osservazione debole". Ha ancora influenzato lo stato della sovrapposizione, ma non abbastanza per portarlo fino allo stato eccitato o allo stato fondamentale; era ancora in una sovrapposizione di stati energetici. Bastava questa osservazione, anche se, per consentire ai ricercatori di tracciare con una precisione abbastanza elevata, esattamente in quale sovrapposizione si trovava la particella, e questo è importante, perché il modo in cui il lavoro viene estratto dalla particella dipende dallo stato di sovrapposizione in cui si trova.

Per avere informazioni, anche usando il metodo di osservazione debole, i ricercatori dovevano ancora dare un'occhiata alla particella, il che significava che avevano bisogno di luce. Quindi hanno inviato alcuni fotoni, e osservò i fotoni che tornavano.

"Ma al demone mancano alcuni fotoni, " Murch ha detto. "Si ottiene solo circa la metà. L'altra metà è persa." Ma, e questa è la chiave, anche se i ricercatori non hanno visto l'altra metà dei fotoni, quei fotoni interagivano ancora con il sistema, il che significa che hanno ancora avuto un effetto su di esso. I ricercatori non avevano modo di sapere quale fosse quell'effetto.

Hanno preso una misurazione debole e ottenuto alcune informazioni, ma a causa della retroazione quantistica, potrebbero finire per sapere meno di quanto non sapessero prima della misurazione. Sulla bilancia, sono informazioni negative.

Ed è strano.

"Fai le regole della termodinamica per un macroscopico, mondo classico si applicano ancora quando si parla di sovrapposizione quantistica?" Murch ha chiesto. "Abbiamo scoperto che sì, sono titolari, tranne che c'è questa cosa strana. L'informazione può essere negativa.

"Penso che questa ricerca evidenzi quanto sia difficile costruire un computer quantistico, " ha detto Murcia.

"Per un normale computer, fa solo caldo e dobbiamo raffreddarlo. Nel computer quantistico si corre sempre il rischio di perdere informazioni".