熱は高温から低温へ流れる。これはあまりに確実な規則であり、熱力学の第二法則に組み込まれている。しかし『Physical Review Letters』に報告された実験で、研究者たちは熱を逆方向、すなわち低温の系からより高温の系へ流すことに成功し、同時に装置から仕事を取り出した。この見かけ上の違反の背後にある装置は量子スイッチ、すなわち二つの異なる順序の重ね合わせで動作を実行する回路である。そしてこの手品が成立するのは、現代版マクスウェルの悪魔が帳簿を付けているからにほかならない。
悪魔こそ、第二法則が生き残る理由の鍵である。物理学者たちは19世紀以来、十分に賢い門番がいれば、原理的には速い分子と遅い分子を選り分けて、熱を自然な方向に逆らって押し流すことができると知っている。マクスウェルの悪魔が熱力学と矛盾しないのは、悪魔がどの分子を通したかを覚えていなければならず、その記憶を消去するにはエネルギーがかかるからだ。新しい実験は、曲阜師範大学のZhong-Xiao Man、パレルモ大学のRosario Lo Franco、香港大学のGiulio Chiribellaが率いる共同研究によるもので、悪魔の記憶は装置の明示的な一部、すなわち制御量子ビットであり、各サイクルでのリセットが、熱が上り坂を登るための代価となる。
順序の重ね合わせ
実験は、量子力学に固有の資源である不定因果順序を利用する。量子スイッチでは、0と1の重ね合わせにある制御量子ビットが、プロセスAがプロセスBの前に実行されるのか、それともBがAの前に実行されるのかを決定し、二つの順序が共存する。フォトニック実装では、ダウンコンバージョン光源からの光子が、長さ約1.8メートル（5.9フィート）の折り返し干渉計を進む。光子の偏光が系の量子ビットの役割を果たし、その経路が制御の役割を果たす。それぞれ波長板とビームスプリッターからなる二つの同一の熱化チャネルが、両方の順序で同時に系に作用する。
系は温度T_Sで始まり、チャネルは温度T_Eで作用する。系がチャネルより高温の場合、期待される結果は冷却、すなわち熱が外へ流れ出ることである。ところが制御量子ビットを正しい重ね合わせ基底で測定すると、系の平均エネルギーは増加する。つまり、より低温のチャネルからより高温の系へ熱が流れたのである。この効果は、チャネル温度が系温度の半分を超える範囲で現れる。逆の場合、すなわちチャネルの方が高温の場合には、温度比が約1.45未満に保たれていると異常冷却が現れる。極端な場合、二つの系が正確に等しい温度にあると、スイッチは系を無限大の実効温度へ駆動でき、完全な熱平衡にある系の間で熱が流れることになる。
仕事はどこから来るのか
同じ装置は、四行程の熱機関サイクルである量子オットーエンジンとしても動作する。異常な分岐では、機械は低温リザーバーから熱を吸収して高温リザーバーへ放出する。これは冷凍機の特徴であり、それと同時に正味の仕事を出力する。古典的には、この組み合わせは不可能である。冷凍機は仕事の投入を必要とし、さらに冷凍も行うエンジンは永久機関になってしまうからだ。
その解決策は、エンジンが悪魔の記憶の消去によって駆動されていることにある。サイクルは、制御量子ビットが特定の一つの結果に見出された場合にのみ進行し、成功した各サイクルの後には制御のリセットが続かなければならない。これは、破棄された情報に比例する仕事を要する操作である。研究者たちは、この消去コストをエンジンの成績係数に組み込んだ。そこでは消去コストは、従来型冷凍機における電源プラグの役割を果たす。測定しなければ、異常な流れは相殺される。両方の制御結果について平均を取れば、熱移動は古典的な、第二法則に従う値に戻る。
著者らはさらに微妙な点も指摘している。同じ異常熱流は、事象の順序を決して重ね合わせない制御スワップの回路を用いれば、確定因果順序でも再現できる。したがって、この効果は不定因果順序の唯一の証拠ではない。重ね合わせがもたらすのは、コンパクトで実験的に実用的な経路である。フォトニックスイッチは単一の干渉計で悪魔を実現する一方、確定因果順序のシミュレーションにはより精巧な制御操作が必要になる。
原理実証、ただし留保付き
実験における温度は、単一光子の偏光状態の実効温度であり、巨視的な物体の温度ではない。熱流は、制御の測定を条件とした系の量子ビットの平均エネルギーの変化として測定される。熱化チャネルは光学的にシミュレートされ、最終結果は量子プロセストモグラフィーによる16回の別々の実験から組み立てられたもので、チャネルの忠実度は99パーセントを超える。これは光学実験室における原理実証であり、コーヒーを冷やしてくれる機械ではない。
この結果が確立するのは、量子過程における熱流の方向が温度だけで決まるわけではないこと、そして第二法則の収支が、制御系の情報を明示的に計上することで釣り合うことである。結局のところ、悪魔の記憶こそが代金の請求先なのである。この発見は、量子情報と熱力学を結びつける、増え続ける研究の体系に加わるものであり、そこでは因果構造、コヒーレンス、測定は副作用ではなく、それ自体が資源である。今後の研究では、異常熱流が量子熱機関における実用的な利点に転換できるかどうか、またスイッチが大規模化するにつれて消去コストがどのように拡大するかが探求されるだろう。
雅子 訳
出典
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/