Baanbrekend onderzoek biedt een fascinerende kijk op de innerlijke werking van de geest van 'Maxwell's Demon', een beroemd gedachte-experiment in de natuurkunde.

Een internationaal onderzoeksteam, waaronder Dr Janet Anders van de Universiteit van Exeter, hebben supergeleidende circuits gebruikt om de 'demon' tot leven te brengen.

De demon, voor het eerst voorgesteld door James Clerk Maxwell in 1867, is een hypothetisch wezen dat meer bruikbare energie uit een thermodynamisch systeem kan halen dan een van de meest fundamentele natuurwetten - de tweede wet van de thermodynamica - zou toestaan.

Cruciaal, het team nam niet alleen voor het eerst direct de gewonnen energie waar, ze hebben ook bijgehouden hoe informatie wordt opgeslagen in het geheugen van de demon.

Het onderzoek is gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

Het oorspronkelijke gedachte-experiment werd 150 jaar geleden voor het eerst voorgesteld door wiskundig natuurkundige James Clerk Maxwell - een van de meest invloedrijke wetenschappers in de geschiedenis.

Hij veronderstelde dat gasdeeltjes in twee aangrenzende dozen zouden kunnen worden gefilterd door een 'demon' die een klein deurtje bedient, waardoor alleen snelle energiedeeltjes in de ene richting konden passeren en lage energiedeeltjes in de tegenovergestelde richting.

Als resultaat, de ene doos krijgt een hogere gemiddelde energie dan de andere, waardoor er een drukverschil ontstaat. Deze niet-evenwichtssituatie kan worden gebruikt om energie te winnen, niet anders dan de energie die wordt verkregen wanneer water dat achter een dam is opgeslagen, vrijkomt.

Dus hoewel het gas aanvankelijk in evenwicht was, de demon kan een niet-evenwichtssituatie creëren en energie onttrekken, het omzeilen van de tweede wet van de thermodynamica.

Dr Anders, een vooraanstaand theoretisch fysicus van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Exeter voegt hieraan toe:"In de jaren tachtig werd ontdekt dat dit niet het volledige verhaal is. De informatie over de eigenschappen van de deeltjes blijft opgeslagen in het geheugen van de demon. Deze informatie leidt tot een energetisch kosten die vervolgens de energiewinst van de demon tot nul reduceren, het oplossen van de paradox."

In dit onderzoek, het team creëerde een kwantum Maxwell-demon, gemanifesteerd als een microgolfholte, die energie haalt uit een supergeleidende qubit. Het team kon de herinnering aan de demon na zijn tussenkomst volledig in kaart brengen, het onthullen van de opgeslagen informatie over de qubit-status.

Dr. Anders voegt toe:"Het feit dat het systeem zich kwantummechanisch gedraagt, betekent dat het deeltje tegelijkertijd een hoge en lage energie kan hebben, niet alleen een van deze keuzes zoals overwogen door Maxwell."

Dit baanbrekende experiment geeft een fascinerend kijkje in het samenspel tussen kwantuminformatie en thermodynamica, en is een belangrijke stap in de huidige ontwikkeling van een theorie voor thermodynamische processen op nanoschaal.

'Observing a Quantum Maxwell demon at Work' is gepubliceerd in PNAS .