La chaleur va du chaud vers le froid, une règle si fiable qu’elle est inscrite dans le second principe de la thermodynamique. Dans une expérience rapportée dans Physical Review Letters, des chercheurs sont cependant parvenus à faire circuler la chaleur en sens inverse, d’un système froid vers un système plus chaud, tout en extrayant simultanément du travail de la machine. Le dispositif à l’origine de cette violation apparente est un interrupteur quantique, un circuit qui exécute ses opérations dans une superposition de deux ordres différents, et le tour ne fonctionne que parce qu’un démon de Maxwell moderne tient les comptes.
Le démon est la clé de la survie du second principe. Les physiciens savent depuis le XIXe siècle qu’un gardien suffisamment astucieux pourrait, en principe, trier les molécules rapides et lentes et pousser la chaleur contre son sens naturel. Ce qui maintient le démon de Maxwell en cohérence avec la thermodynamique, c’est que le démon doit se souvenir des molécules qu’il a laissé passer, et que l’effacement de cette mémoire coûte de l’énergie. Dans la nouvelle expérience, menée par une collaboration dirigée par Zhong-Xiao Man de l’université normale de Qufu, Rosario Lo Franco de l’université de Palerme et Giulio Chiribella de l’université de Hong Kong, la mémoire du démon est une composante explicite de la machine : un qubit de contrôle dont la réinitialisation, à chaque cycle, est le prix à payer pour que la chaleur remonte la pente.
Une superposition d’ordres
L’expérience exploite l’ordre causal indéfini, une ressource propre à la mécanique quantique. Dans un interrupteur quantique, un qubit de contrôle en superposition de 0 et de 1 détermine si le processus A s’exécute avant le processus B ou B avant A, de sorte que les deux ordres coexistent. Dans la mise en œuvre photonique, des photons issus d’une source de conversion paramétrique descendante parcourent un interféromètre replié d’environ 1,8 mètre (5,9 pieds) de long ; la polarisation du photon joue le rôle du qubit système, et son trajet celui du contrôle. Deux canaux de thermalisation identiques, chacun constitué de lames à retard et de séparatrices de faisceau, agissent sur le système dans les deux ordres à la fois.
Le système démarre à la température T_S et les canaux agissent à la température T_E. Pour un système plus chaud que les canaux, le résultat attendu est un refroidissement : la chaleur devrait s’écouler vers l’extérieur. Or, lorsque le qubit de contrôle est mesuré dans la bonne base de superposition, l’énergie moyenne du système augmente, ce qui signifie que la chaleur s’est écoulée des canaux plus froids vers le système plus chaud. L’effet apparaît dans une fenêtre où la température des canaux dépasse la moitié de la température du système ; dans le cas inverse, où les canaux sont plus chauds, un refroidissement anormal apparaît lorsque le rapport des températures reste inférieur à environ 1,45. Dans le cas extrême de deux systèmes à températures rigoureusement égales, l’interrupteur peut porter le système à une température effective infinie, si bien que la chaleur circule entre des systèmes en équilibre thermique parfait.
D’où vient le travail
Le même montage fonctionne comme un moteur quantique d’Otto, un cycle de moteur thermique à quatre temps. Dans la branche anormale, la machine absorbe de la chaleur du réservoir froid et la cède au réservoir chaud, la signature d’un réfrigérateur, tout en fournissant simultanément un travail net. Classiquement, cette combinaison est impossible : un réfrigérateur exige un apport de travail, et un moteur qui réfrigérerait aussi serait une machine à mouvement perpétuel.
La résolution tient au fait que le moteur est alimenté par l’effacement de la mémoire du démon. Le cycle ne se déroule que lorsque le qubit de contrôle est trouvé dans un résultat particulier, et chaque cycle réussi doit être suivi d’une réinitialisation du contrôle, une opération dont le coût en travail est proportionnel à l’information écartée. Les chercheurs inscrivent ce coût d’effacement dans le coefficient de performance du moteur, où il joue le rôle de la prise d’alimentation d’un réfrigérateur classique. Sans mesure, les flux anormaux s’annulent : en moyennant sur les deux résultats du contrôle, le transfert de chaleur retrouve sa valeur classique, conforme au second principe.
Les auteurs signalent en outre une subtilité supplémentaire : le même flux de chaleur anormal peut être reproduit avec un ordre causal défini, au moyen d’un circuit d’échanges contrôlés qui ne superpose jamais l’ordre des événements. L’effet n’est donc pas un témoin unique de l’ordre causal indéfini. Ce que la superposition apporte, c’est une voie compacte et expérimentalement pratique : l’interrupteur photonique réalise le démon dans un seul interféromètre, là où une simulation à ordre causal défini exigerait des opérations contrôlées plus élaborées.
Une preuve de principe, avec des réserves
Les températures de l’expérience sont des températures effectives d’états de polarisation à photon unique, et non les températures d’objets macroscopiques ; les flux de chaleur sont mesurés comme des variations de l’énergie moyenne du qubit système conditionnées par la mesure du contrôle. Les canaux de thermalisation sont simulés optiquement, et le résultat final est assemblé à partir de seize expériences distinctes avec tomographie de processus quantiques, avec des fidélités de canal supérieures à 99 pour cent. C’est une preuve de principe en laboratoire d’optique, pas une machine qui refroidira votre café.
Ce que le résultat établit, c’est que le sens du flux de chaleur dans un processus quantique n’est pas fixé par les températures seules, et que le grand livre du second principe peut être équilibré en tenant explicitement compte de l’information du système de contrôle. La mémoire du démon, en fin de compte, est là où atterrit la facture. Cette découverte s’ajoute à un corpus de travaux grandissant qui relient l’information quantique à la thermodynamique, dans lesquels la structure causale, la cohérence et la mesure ne sont pas des effets secondaires mais des ressources à part entière. Les travaux futurs exploreront vraisemblablement si le flux de chaleur anormal peut être transformé en avantage pratique dans les machines thermiques quantiques, et comment le coût d’effacement évolue à mesure que l’interrupteur grandit.
Traduit par Lydie
Sources
1. Qing-Feng Xue, Qi Zhang, Xu-Cai Zhuang, Yun-Jie Xia, Enrico Russo, Giulio Chiribella, Rosario Lo Franco, and Zhong-Xiao Man, “Anomalous Heat Flows and Quantum Otto Engine with (In)definite Causal Order,” Physical Review Letters 137, 030404 (2026). DOI: 10.1103/sx1m-pdhz. Preprint: arXiv:2511.04028.
2. Chaitanya Gupta, “Quantum principle allows heat to flow from cold to hot,” Physics World, August 10, 2026. https://physicsworld.com/a/quantum-principle-allows-heat-to-flow-from-cold-to-hot/
3. Ingrid Fadelli, “A quantum heat engine that simultaneously provides work and refrigeration,” Phys.org, July 26, 2026. https://phys.org/news/2026-07-quantum-simultaneously-refrigeration.html
4. Interesting Engineering, “New quantum heat engine produces work and refrigeration at same time.” https://interestingengineering.com/science/unusual-quantum-effect-heat-engine
5. Quantum Zeitgeist, “Quantum Otto cycle with indefinite causal order achieves anomalous heat,” November 11, 2025. https://quantumzeitgeist.com/quantum-otto-cycle-indefinite-causal-order-achieves-anomalous-heat/