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Qu’il s’agisse des êtres vivants, des planètes, des étoiles, de la galaxie ou même de l’Univers dans son ensemble, rien ne semble pouvoir échapper à l’entropie. Rien, à l’exception du monde quantique. Si c’est une théorie qui existe depuis longtemps, elle a été transposée dans la réalité sous la forme d’un moteur quantique qui fonctionne sans avoir à violer les lois de la thermodynamique.
Qu’est-ce que le « démon de Maxwell » ?
Le démon de Maxwell est une expérience de pensée initialement exprimée par le physicien écossais James Clerk Maxwell en 1867. La particularité de ce concept réside dans le fait qu’il semble réfuter la deuxième loi de la thermodynamique. À titre de rappel, les lois de la thermodynamique sont un ensemble de lois scientifiques qui définissent un groupe de quantités physiques – telles que la température, l’énergie et l’entropie – qui caractérisent les systèmes thermodynamiques en équilibre thermodynamique. La première loi de la thermodynamique est essentiellement une affirmation sur la conservation de l’énergie.
La deuxième loi, quant à elle, dit que de nombreux processus peuvent conserver l’énergie, mais que les seuls qui se produiront réellement sont ceux qui augmentent le désordre du système. Le concept de « désordre » est intégré dans le concept d’entropie. Dans l’expérience de pensée de Maxwell, un démon capable de détecter et de réagir aux mouvements de molécules individuelles contrôle une porte entre deux chambres contenant du gaz. Lorsque des molécules de gaz individuelles s’approchent de la porte, le démon ouvre et ferme rapidement la porte.
Il fait cela pour permettre uniquement aux molécules rapides de passer dans une direction et uniquement aux molécules lentes de passer dans l’autre. Étant donné que la température cinétique d’un gaz dépend de la vitesse de ses molécules constitutives, les actions du démon provoquent le réchauffement d’une chambre et le refroidissement de l’autre. Cela diminuerait l’entropie totale du système, apparemment sans appliquer un travail, ce qui violerait la deuxième loi de la thermodynamique.
Un moteur démoniaque qui met au défi la loi de la thermodynamique
Depuis plus d’un siècle, le paradoxe du démon de Maxwell hante la physique. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’université de Nagoya au Japon et de l’Académie des sciences de Slovaquie ont mis ce concept à l’épreuve dans un cadre quantique. D’après les résultats de la recherche publiée dans la revue NPJ Quantum Information, la mécanique quantique permet des failles surprenantes à la deuxième loi de la thermodynamique, même si, en fin de compte, l’équilibre thermodynamique l’emporte toujours.
Plus précisément, les chercheurs ont constaté que même si la théorie quantique permet techniquement de violer la deuxième loi de la thermodynamique, les processus quantiques peuvent néanmoins se dérouler sans enfreindre cette loi. Cette découverte démontre que la mécanique quantique et la thermodynamique, bien que logiquement indépendantes, peuvent coexister de manière complémentaire. Pour aboutir à leurs conclusions, les chercheurs ont développé un cadre mathématique pour analyser un « moteur démoniaque » quantique, un système alimenté par le démon de Maxwell.
Leur approche s’appuie sur la théorie des instruments quantiques, un cadre pour décrire les formes les plus générales de mesure quantique. Le modèle comporte trois étapes : le démon mesure un système cible, puis en extrait du travail en le couplant à un environnement thermique, et enfin efface sa mémoire en interagissant avec le même environnement. Les résultats ont montré que dans certaines conditions permises par la théorie quantique, le travail extrait peut dépasser le travail dépensé, ce qui semble contrevenir à la deuxième loi de la thermodynamique. Ces résultats sont très importants, car ils fournissent des indications cruciales pour le développement futur des technologies quantiques.
Par ailleurs, l’ordinateur quantique de Google exécute instantanément une tâche qui prendrait normalement 47 ans.