Kvantový Maxwellův démon. (Kredit: Cottet, LPA)

Když si v 19. století James Clerk Maxwell dal dohromady koncept Maxwellova démona, tak jistě netušil, co vlastně vypustil na tenhle svět. Maxwellův démon si žije vlastním životem, objevuje se v populárních knížkách, a jak se zdá, vědci ho nemohou pustit z hlavy.

Jen pro připomenutí, Maxwellův démon má zvláštní, v mnoha ohledech ďábelskou moc. Může se usadit mezi dvěma spojenými nádobami, v nichž jsou částice o různých energiích. Démon hlídá průchod mezi nádobami a zařídí, že do jedné nádoby procházejí pouze částice s vyšší energií, kdežto do té druhé jenom ty méně energetické částice.

Nathanaël Cottet. Kredit: Ecole Normale Supérieure de Lyon.

Výsledkem snažení Maxwellova démona je, že se v jedné z nádob soustředí více energie než v té druhé. Vznikne nerovnovážný systém, který by bylo teoreticky možné využít k získání energie, podobně jako to dělá vodní elektrárna usazená na přehradě. Maxwellův démon je na tolik démonický, že dovede z termodynamického systému vytěžit více energie, než kolik povoluje Druhý termodynamický zákon. Říká myšlenkový experiment s démonem.

V osmdesátých letech 20. století se ale ukázalo, že to není celý příběh. Informace o vlastnostech částic totiž zůstává v paměti Maxwellova démona. S touto informací je ale zároveň spojený výdej energie, který vynuluje zisk energie zařízený démonem. Což řeší celý paradox.

Logo Laboratoire Pierre Aigrain.

Mezinárodní vědecký tým, který vedl Nathanaël Cottet z francouzské laboratoře kvantově-mechanické elektroniky Laboratoire Pierre Aigrain, se pustil do vyvolávání přízraků. Oživili Maxwellova démona pomocí supravodivých obvodů. Udělali to tak, že postavili kvantového démona v podobě mikrovlnného rezonátoru, který si vytahuje energii ze supravodivého qubitu. Cottet a spol. dokázali kompletně přečíst paměť takto vytvořeného Maxwellova démona a získat tím informaci o stavu qubitu, k němuž byl démon připojen.

Vědci podotýkají, že se jejich systém chová kvantově mechanicky. To znamená, že v něm částice mohou mít zároveň vysokou a nízkou energii. S tím Maxwell původně samozřejmě nepočítal. Experimenty Cottetova týmu nabízejí fascinující pohled na vztah mezi kvantovou informací a termodynamikou. Je to také významný krok ve vývoji teorie pro termodynamické procesy v nanoměřítku. S termodynamickými démony se člověk rozhodně nenudí.

Video:  Maxwell's Demon and the Nature of Information


Literatura
University of Exeter 4. 7. 2017, PNAS 30. 6. 2017.