Termodynamik är ett av de mest mänskliga av vetenskapliga företag, enligt Kater Murch, docent i fysik i konst och vetenskap vid Washington University i St. Louis.

"Det har att göra med vår fascination av eld och vår latskap, "sa han." Hur kan vi få eld " - eller värme -" att göra arbete för oss? "

Nu, Murch och kollegor har tagit det mest mänskliga företaget ner till den immateriella kvantskalan – den för ultralåga temperaturer och mikroskopiska system – och upptäckt att, som i den makroskopiska världen, det är möjligt att använda information för att extrahera arbete.

Det finns en fångst, dock:Viss information kan gå förlorad i processen.

"Vi har experimentellt bekräftat sambandet mellan information i det klassiska fallet och kvantfallet, "Murch sa, "och vi ser denna nya effekt av informationsförlust."

Resultaten publicerades i numret den 20 juli av Fysiska granskningsbrev .

Det internationella teamet omfattade Eric Lutz från universitetet i Stuttgart; J. J. Alonzo vid universitetet i Erlangen-Nürnberg; Alessandro Romito från Lancaster University; och Mahdi Naghiloo, en forskarassistent från Washington University i fysik.

Att vi kan få energi från information i makroskopisk skala illustrerades mest i ett tankeexperiment känt som Maxwells Demon. "Demonen" presiderar över en låda fylld med molekyler. Lådan delas på mitten av en vägg med dörr. Om demonen vet hastigheten och riktningen för alla molekylerna, det kan öppna dörren när en molekyl som rör sig snabbt rör sig från den vänstra halvan av lådan till höger sida, låter det passera. Det kan göra samma sak för långsamma partiklar som rör sig i motsatt riktning, öppna dörren när en långsamt rörlig molekyl närmar sig från höger, gick åt vänster.

Efter ett tag, alla de snabbt rörliga molekylerna finns på höger sida av lådan. Snabbare rörelse motsvarar högre temperatur. På det här sättet, demonen har skapat en temperaturobalans, där ena sidan av lådan är varmare. Den temperaturobalansen kan förvandlas till arbete - att trycka på en kolv som i en ångmaskin, till exempel. Först tycktes tankeexperimentet visa att det var möjligt att skapa en temperaturskillnad utan att göra något arbete, och eftersom temperaturskillnader gör att du kan extrahera arbete, man skulle kunna bygga en maskin för evig rörelse - ett brott mot termodynamikens andra lag.

"Så småningom, forskare insåg att det finns något om den information som demonen har om molekylerna, Murch sa. "Den har en fysisk kvalitet som värme och arbete och energi."

Hans team ville veta om det skulle vara möjligt att använda information för att extrahera arbete på detta sätt i kvantskala, för, men inte genom att sortera snabba och långsamma molekyler. Om en partikel är i ett exciterat tillstånd, de kunde extrahera arbete genom att flytta det till ett marktillstånd. (Om det var i markläge, de skulle inte göra någonting och skulle inte spendera något arbete).

Men de ville veta vad som skulle hända om kvantpartiklarna var i ett upphetsat tillstånd och ett jordtillstånd samtidigt, analogt med att vara snabb och långsam på samma gång. Inom kvantfysik, detta är känt som en superposition.

"Kan du få arbete från information om en överlagring av energistater?" frågade Murch. — Det var det vi ville ta reda på.

Det finns ett problem, fastän. På en kvantskala, att få information om partiklar kan vara lite ... knepigt.

"Varje gång du mäter systemet, det förändrar det systemet, " sa Murch. Och om de mätte partikeln för att ta reda på exakt vilket tillstånd den var i, det skulle återgå till en av två stater:upphetsad, eller mark.

Denna effekt kallas quantum backaction. För att komma runt det, när man tittar på systemet, forskare (som var "demonerna") tog inte lång tid, hård titt på deras partikel. Istället, de tog det som kallades en "svag observation". Det påverkade fortfarande superpositionens tillstånd, men inte tillräckligt för att flytta det hela vägen till ett upphetsat tillstånd eller ett marktillstånd; det var fortfarande i en superposition av energistater. Denna observation var tillräckligt, fastän, att låta forskarna spåra med ganska hög noggrannhet, exakt vilken superposition partikeln var i - och detta är viktigt, eftersom hur verket extraheras från partikeln beror på vilket superpositionstillstånd den befinner sig i.

För att få information, även med den svaga observationsmetoden, forskarna var fortfarande tvungna att ta en titt på partikeln, vilket innebar att de behövde ljus. Så de skickade in några fotoner, och observerade fotonerna som kom tillbaka.

"Men demonen saknar några fotoner, "Sa Murch." Det blir bara ungefär hälften. Den andra halvan är förlorad. "Men - och det här är nyckeln - även om forskarna inte såg den andra halvan av fotonerna, de fotonerna interagerade fortfarande med systemet, vilket betyder att de fortfarande hade en effekt på det. Forskarna hade inget sätt att veta vad den effekten var.

De gjorde en svag mätning och fick lite information, men på grund av kvantbackback, de kan sluta veta mindre än de gjorde innan mätningen. På det hela taget, det är negativ information.

Och det är konstigt.

"Gör termodynamikens regler för en makroskopisk, klassiska världen fortfarande gäller när vi pratar om kvantöverlagring? "frågade Murch." Vi fann att ja, de håller, förutom att det är något konstigt. Informationen kan vara negativ.

"Jag tror att denna forskning belyser hur svårt det är att bygga en kvantdator, "Sa Murch.

"För en vanlig dator, det blir bara varmt och vi måste kyla det. I kvantdatorn riskerar du alltid att förlora information. "