Des physiciens voient le démon de Maxwell à l’œuvre

De nouvelles recherches menées par l’Université Paris Diderot permettent de découvrir le fonctionnement interne de l'”esprit” du démon de Maxwell, une célèbre expérience de pensée en physique.

Croquis de l’expérience du démon quantique de Maxwell : (A) après préparation (étape 1) dans un état thermique ou quantique par une impulsion à la fréquence f_sl’état du système S (qubit supraconducteur) est enregistré (étape 2) dans la mémoire quantique D (cavité micro-ondes) du démon ; une impulsion entrant vers le port a à une fréquence f_D peuple le mode de la cavité avec un état ρ_αin seulement si le qubit est dans l’état fondamental g> ;_s; cette information est utilisée pour extraire le travail W (étape 3) qui charge une batterie B (une impulsion micro-onde à la fréquence f_s sur le port b) avec un photon supplémentaire ; il est important de noter que le système n’émet ce photon que lorsque la cavité du démon est vide ; le travail est déterminé en amplifiant et en mesurant la puissance moyenne de sortie à f_s sur b_out; la réinitialisation de la mémoire (étape 4) est effectuée par relaxation de la cavité. (B) lorsque le système commence dans une superposition quantique de g> ;_s et e> ;_sle démon et le système sont enchevêtrés après l’étape 2. Crédit image : Cottet et al, doi : 10.1073/pnas.1704827114.

Le démon de Maxwell est un être hypothétique qui peut obtenir plus d’énergie utile d’un système thermodynamique que l’une des lois les plus fondamentales de la physique – la deuxième loi de la thermodynamique – ne devrait le permettre.

L’expérience de pensée est apparue pour la première fois dans une lettre que le physicien mathématique britannique James Clerk Maxwell a écrite au physicien mathématique écossais Peter Guthrie Tait le 11 décembre 1867.

Maxwell a émis l’hypothèse que les particules de gaz dans deux boîtes adjacentes pouvaient être filtrées par un “démon” actionnant une minuscule porte, qui ne laissait passer que les particules à énergie rapide dans une direction et les particules à faible énergie dans la direction opposée. En conséquence, une boîte acquiert une énergie moyenne plus élevée que l’autre, ce qui crée une différence de pression.

Cette situation de non-équilibre peut être utilisée pour gagner de l’énergie, un peu comme l’énergie obtenue lorsque l’eau stockée derrière un barrage est libérée.

Ainsi, bien que le gaz soit initialement en équilibre, le démon peut créer une situation de non-équilibre et extraire de l’énergie, contournant ainsi la deuxième loi de la thermodynamique.

“Dans les années 1980, on a découvert que ce n’est pas toute l’histoire”, a déclaré le co-auteur, le Dr Janet Anders, un physicien théorique de l’Université d’Exeter, au Royaume-Uni.

“L’information sur les propriétés des particules reste stockée dans la mémoire du démon”.

“Ces informations entraînent un coût énergétique qui réduit ensuite le gain énergétique du démon à zéro, résolvant ainsi le paradoxe.”

Dans cette recherche, les physiciens ont créé un démon Maxwell quantique, manifesté sous la forme d’une cavité micro-ondes, qui tire de l’énergie d’un qubit supraconducteur.

Ils ont été en mesure de cartographier entièrement la mémoire du démon après son intervention, dévoilant les informations stockées sur l’état du qubit.

“Le fait que le système se comporte de manière mécanique quantique signifie que la particule peut avoir une énergie élevée et faible en même temps, et pas seulement l’un ou l’autre de ces choix comme le considérait Maxwell”, a déclaré le Dr Anders.

“Cette expérience révolutionnaire donne un aperçu fascinant de l’interaction entre l’information quantique et la thermodynamique, et constitue une étape importante dans le développement actuel d’une théorie pour les processus thermodynamiques à l’échelle nanométrique.”

La recherche est publiée dans le Proceedings of the National Academy of Sciences (préimpression arXiv.org).