Komplexita systémů je novou cestou k absolutní nule. Kredit: IQOQI/ÖAW.

Stav naprostého klidu částic, čili teplota absolutní nuly, je jednou z ideálních fyzikálních hodnot, které nejsou prakticky dosažitelné. Přinejmenším z pohledu klasické fyziky. Jenomže existuje ještě kvantová mechanika, pro kterou platí: „Nikdy neříkej nikdy.“

Marcus Huber.Kredit: ÖAW.

Mezinárodní tým fyziků, který vedl Marcus Huber z Technische Universität Wien, nalezl teoretický postup, díky němuž by mělo být možné se novým způsobem blížit k mýtické absolutní nule, tedy teplotě mínus 273,15 °C. Nový postup přitom neporušuje fyzikální zákony, ale provádí příslovečný úkrok stranou.

Z třetího termodynamického zákona, který popisuje chování látek v blízkosti absolutní nuly, vyplývá, že k dosažení absolutní nuly by bylo nutné mít k dispozici nekonečné množství některé z fyzikálních komponent, které jsou v tomto případě relevantní. Typicky nekonečné množství energie, což je pro klasickou fyziku nepřekonatelná výzva.

Kvantová mechanika to vidí poněkud jinak. V říši kvant jsou částice vlastně souhrnem možností. Pokud dojde ke změření některého z parametrů částice, tak možnosti zkolabují do jediné, ale další parametry se naopak rozostří. To nabízí zajímavou kličku pro přiblížení k nedosažitelné absolutní nule.

Logo. Kredit: Technische Universität Wien.

Částice, která by se (teoreticky) ocitla ve stavu absolutní nuly, by se totiž vůbec nepohybovala. Její pozice by tedy byla jistá. Zároveň platí, že kvantové detaily, tedy informace o předešlé pozici takové částice, mohou být zničeny. Ke slovu přichází takzvaný Landauerův princip, podle něhož zničení informace vyžaduje minimální a hlavně konečné množství energie.

Huberův tým zjistil, že je možné definovat kvantové systémy, v nichž bude dosaženo teploty absolutní nuly při použití konečného množství energie a konečného času. Huber přiznává, že to byl šok. Nikdo z nich to nečekal. Na druhou stranu, nějaké nekonečno tam být musí. V případě těchto kvantových systémů je to nekonečná komplexita.

Jak říká Huber, pro dosažení absolutní nuly touto cestou bychom museli postavit nekonečně komplexní kvantový počítač, který by perfektně ovládal nekonečné množství částic. To samozřejmě není možné, tedy pokud někdo v budoucnu nepřijde s nějakým novým úkrokem stranou.

Nicméně, kvantová mechanika je velmi těsně spjatá s teplotou. Čím více se přiblížíme k absolutní nule, tím větší je šance na výskyt podivných kvantových fenoménů. Díky výzkumu Huberova týmu se otevírá nový prostor pro výzkum v končinách kolem absolutní nuly, který by mohl vést k zajímavým kvantovým objevům.

Video: Quarantine Thermo - Marcus Huber

Video: What is the Third Law of Thermodynamics?

Literatura

Science Alert 6. 5. 2023.

PRX Quantum 4: 010332.