Какой самый крошечный холодильник вам доводилось видеть? Ученые предложили способ построить «рефрижератор», который состоит всего из нескольких частиц, но при этом способен создавать температуры, близкие к абсолютному нулю.

«Холодильник» из двух кубитов 1 — охлаждаемый кубит, 2,3 — кубиты, составляющие «холодильник». Горизонтальными линиями показаны энергетические уровни, на которых могут находиться кубиты. Если бы все три частицы находились при одинаковой температуре, вероятность перехода системы из состояния |101> (светло-зеленый пунктир) в состояние |010> (темно-зеленый пунктир) равнялась бы вероятности обратного перехода, потому что суммарная энергия системы в этих состояниях одинакова. Но если поместить кубит 3 в условия высоких температур, вероятность состояния |101> повысится. Повысится и вероятность перехода |101> → |010>, за счет чего и возникнет эффект охлаждения для кубита 1.
«Холодильник» из одного кутрита 1 — охлаждаемый кубит, 2 — кутрит-«холодильник». Переходы кутрита из состояния 0 в 1 и из 1 в 2 происходят при разных температурах. В остальном принцип сохраняется.

Новое исследование, проведенное учеными из Бристольского университета (Великобритания), демонстрирует теоретические пределы того, насколько малым может быть действующее охлаждающее устройство. «На заре термодинамики она применялась к крупным объектам, вроде парового двигателя, — комментирует физик Тони Шорт (Tony Short) из Кембриджа, не принимавший участия в исследовании. — То, что все основные принципы термодинамики можно перенести на крошечные системы, вплоть до квантовых, и эти принципы все еще будут работать — просто замечательно».

Физики Ноа Линден (Noah Linden), Санду Попеску (Sandu Popescu) и Пол Скшипчик (Paul Skrzypczyk) предложили систему охлаждения на основе трех связанных кубитов — частиц, которые могут существовать в одном из двух состояний. Первый кубит играет роль охлаждаемого объекта. Два других кубита составляют «холодильник». Один из них будет находиться при температуре, близкой к комнатной, а другой — при высокой температуре.

Квантовые связи между частицами позволяют им влиять друг на друга. «Горячий» кубит поглощает энергию окружающей среды, и «тянет» за собой «теплый» кубит, который в свою очередь отбирает энергию у «холодного», охлаждая последний до весьма низких температур. Избыточная энергия рассеивается «теплым» кубитом подобно тому, как трубка-конденсатор на задней стенке кухонного холодильника передает тепло окружающей среде.

По расчетам физиков, чем «горячее» третий кубит — тем больше охлаждающая способность установки. И пока поддерживается высокая температура, система будет работать непрерывно.

Идеи малых систем охлаждения предлагались и ранее, но разработка ученых из Бристоля — первая не зависящая от внешних воздействий (например, лазеров). Группа Линдена также предложила еще меньшую систему, состоящую всего из одной частицы — кутрита. Кутрит, в отличие от кубита, может находиться не в двух, а в трех состояниях. «Мы считаем, что это наименьшая из возможных систем, которую можно назвать холодильником», — говорит Линден.

Исследователи планируют реализовать свои идеи на практике, построив действующий «квантовый холодильник». Такое устройство можно будет использовать для регулирования скорости биохимических реакций путем охлаждения отдельных участков молекулы белка; или для поддержания низкой температуры отдельных элементов квантовых компьютеров.

Физик Николас Гисин (Nicolas Gisin) из Женевского университета предположил, что подобные «квантовые холодильники» могут существовать в живой природе. Например, молекулы с одной стороны листа растения, нагреваемого солнцем, могут быть связаны с охлаждаемой частицей на другой стороне листа… Линден назвал мысль «захватывающей», но поспешил подчеркнуть, что это всего лишь идея. Впрочем, он признает, что был бы «очень счастлив», если бы подобное предположение подтвердилось.

По сообщению ScienceNews