Des physiciens de l’Université de Hong Kong et de l’Université normale de Qufu ont réalisé en laboratoire une simulation photonique d’un flux de chaleur allant du froid vers le chaud, grâce à un ordre causal indéfini entre deux processus. Leurs travaux démontrent un fonctionnement conforme au second principe de la thermodynamique et ouvrent des pistes pour les machines quantiques.
Le second principe de la thermodynamique figure parmi les lois les plus solides de la physique. La chaleur circule des corps chauds vers les corps froids, et l’entropie d’un système fermé ne peut qu’augmenter.
Une équipe internationale dirigée par Qing-Feng Xue de l’Université normale de Qufu (Chine) et d’autres chercheurs, a pourtant mis en évidence en laboratoire un échange de chaleur allant à contre-courant. Publiés dans Physical Review Letters, leurs travaux reposent sur une ressource propre au monde quantique : l’ordre causal indéfini.
Un qubit de contrôle brouille la chronologie
Les chercheurs ont utilisé un qubit de contrôle pour régir l’ordre de deux processus de thermalisation, au cours desquels un système revient à l’équilibre thermique. Lorsque le qubit se trouve en superposition de ses états 0 et 1, le dispositif entre dans un état d’ordre causal indéfini, où aucun des deux processus n’arrive définitivement en premier.
« La direction de l’échange de chaleur n’est pas déterminée uniquement par les températures », explique Zhong-Xiao Man, interrogé par Physics World. « Lorsque l’ordre de deux processus de thermalisation est contrôlé de manière cohérente, un système quantique peut exhiber des flux de chaleur qui seraient impossibles dans une vision classique ordinaire. »
Une preuve expérimentale sur une table d’optique
Pour confronter la théorie à l’expérience, l’équipe a construit un interféromètre photonique divisant un faisceau lumineux en deux chemins, les photons rencontrant une séquence d’événements différente sur chaque trajectoire. Les mesures correspondent aux prédictions théoriques avec une fidélité supérieure à 99 %.
Le dispositif a également permis de concevoir un cycle de moteur quantique de type Otto capable d’extraire du travail tout en assurant simultanément une réfrigération. Dans une lecture classique, un tel fonctionnement exigerait de fournir du travail au moteur au lieu d’en extraire.
La lumière émise n’est pas toujours de la chaleur perdue
Dans un développement distinct mais connexe, des chercheurs de l’Université de Bâle ont publié dans la même revue un cadre théorique montrant que l’énergie s’échappant d’un système quantique ne doit pas toujours être classée comme chaleur perdue : une partie peut encore effectuer un travail utile. La distinction se maintient lorsque le système passe d’une description entièrement quantique à une description semi-classique.
« Traiter la lumière de manière classique facilite grandement la définition de la part d’énergie pouvant être utilisée pour effectuer un travail et de celle constituant de la chaleur désordonnée », précise Marcelo Janovitch, post-doctorant au sein de l’équipe suisse.
Réconcilier machines à vapeur et machines quantiques
Ensemble, les deux chantiers témoignent d’un effort croissant pour réconcilier la thermodynamique, théorie forgée au XIXe siècle pour les machines à vapeur, avec les réalités des dispositifs quantiques.
Selon l’auteur correspondant, Rosario Lo Franco (Palerme), « un effet thermodynamique hautement contre-intuitif peut être exploré avec des photons dans un laboratoire d’optique » ; les résultats s’avèrent « non seulement conceptuellement intéressants, mais aussi expérimentalement accessibles et pertinents pour les futures technologies quantiques ».
Article principal : « Anomalous Heat Flows and Quantum Otto Engine with (In)definite Causal Order » – DOI : 10.1103/sx1m-pdhz
Article : « Bridging Quantum and Semiclassical Thermodynamics in Cavity QED » – Auteurs : Marcelo Janovitch, Sander Stammbach, Matteo Brunelli and Patrick P. Potts, 11 August 2026, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/y6h7-sx93
