(Phys.org)—In de afgelopen jaren hebben natuurkundigen hebben kwantumsnelkoppelingen ontwikkeld die de werking van kwantumsystemen versnellen. Verrassend genoeg, sommige van deze snelkoppelingen lijken in theorie systemen in staat te stellen bijna onmiddellijk te werken zonder extra energie te gebruiken - een duidelijke schending van de tweede wet van de thermodynamica. Hoewel natuurkundigen weten dat er iets mis is, tot nu toe was de oplossing voor deze hachelijke situatie onduidelijk.

Nu in een nieuwe studie, natuurkundigen hebben aangetoond dat kwantumsnelkoppelingen onderhevig zijn aan een afweging tussen snelheid en kosten, zodat hoe sneller een kwantumsysteem evolueert, hoe hoger de energetische kosten van het implementeren van de snelkoppeling. Volgens de wetten van de thermodynamica, een oneindig hoge snelheid zou onmogelijk zijn omdat het een oneindige hoeveelheid energie zou vereisen.

de fysici, Steve Campbell aan de Queen's University Belfast in het VK en de Universiteit van Milaan in Italië, samen met Sebastian Deffner aan de Universiteit van Maryland Baltimore County in de VS, hebben een paper gepubliceerd over de afweging tussen kosten en snelheid in kwantumsnelkoppelingen in een recent nummer van: Fysieke beoordelingsbrieven .

"Sommige recentelijk voorgestelde methoden om kwantumsystemen te controleren, zogenaamde snelkoppelingen naar adiabaticiteit (STA), lijken energetisch gratis te zijn, en nog zorgwekkender, er was niets om te zeggen dat ze niet konden worden bereikt in verdwijnende kleine tijden, " vertelde Campbell Phys.org . "Dat er iets niet helemaal klopte, bracht ons ertoe om explicieter na te denken over wat er gebeurt als deze technieken worden toegepast."

Om dit te doen, de wetenschappers pasten de kwantumsnelheidslimiet toe - een fundamentele bovengrens voor de snelheid waarmee een kwantumsysteem kan werken, die ontstaat door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Aangezien de kwantumsnelheidslimiet een gevolg is van dit fundamentele principe, het moet van toepassing zijn op alle STA's, en dus zou het hen moeten verbieden om in willekeurig korte tijden te opereren.

"Door de kwantumsnelheidslimiet te berekenen, we hebben laten zien dat hoe sneller je een systeem wilt manipuleren met een STA, hoe hoger de thermodynamische kosten, " Campbell. "Bovendien, onmiddellijke manipulatie is onmogelijk, omdat er een oneindige energie in zou moeten worden gestopt."

Zoals de wetenschappers hebben uitgelegd, de resultaten zijn niet bijzonder verrassend, gewoon iets dat tijd kostte om erachter te komen.

"Ik geloof dat dit een ander geval is van 'als iets te mooi lijkt om waar te zijn, het is meestal, '" zei Deffner. "Er was waarschijnlijk een algemeen gevoel in de gemeenschap dat men de kosten moet kwantificeren. We waren de eersten die het uitwerkten."

Om het nut van deze afweging aan te tonen, de natuurkundigen pasten het toe op twee praktische systemen. De eerste is harmonische oscillatoren, die een breed scala aan toepassingen hebben, inclusief in tests van de kwantumthermodynamica. De tweede is het Landau-Zener-model, die toepassingen heeft in adiabatische kwantumcomputers, zoals gebruikt in de D-Wave-machine.

Bij beide modellen de afweging plaatst praktische limieten op de uiteindelijke snelheid van deze systemen aangeboden door STA's. De wetenschappers verwachten dat deze beperkingen in de toekomst zullen helpen bij het ontwerp en de implementatie van deze en andere kwantumsystemen.

"We willen ook kijken naar de andere technieken voor STA die zijn ontwikkeld, en kijken of we vergelijkbare compromissen kunnen vinden, "Zei Deffner. "Een andere belangrijke route zal zijn om ons werk te generaliseren naar niet-standaard kwantummechanica, zoals Dirac-materialen en niet-lineaire systemen."

© 2017 Fys.org