Thermodynamica is een van de meest menselijke wetenschappelijke ondernemingen, volgens Kater Murch, universitair hoofddocent natuurkunde in Arts &Sciences aan de Washington University in St. Louis.

"Het heeft te maken met onze fascinatie voor vuur en onze luiheid, "zei hij. "Hoe kunnen we vuur" - of hitte - "voor ons laten werken?"

Nutsvoorzieningen, Murch en collega's hebben die meeste menselijke onderneming teruggebracht tot de ongrijpbare kwantumschaal - die van ultralage temperaturen en microscopische systemen - en ontdekten dat, zoals in de macroscopische wereld, het is mogelijk om informatie te gebruiken om werk te extraheren.

Er is een vangst, hoewel:Sommige informatie kan tijdens het proces verloren gaan.

"We hebben experimenteel het verband bevestigd tussen informatie in het klassieke geval en het kwantumgeval, ' zei Murch, "en we zien dit nieuwe effect van informatieverlies."

De resultaten zijn gepubliceerd in het nummer van 20 juli van: Fysieke beoordelingsbrieven .

Het internationale team bestond uit Eric Lutz van de Universiteit van Stuttgart; JJ Alonzo van de Universiteit van Erlangen-Neurenberg; Alessandro Romito van de Universiteit van Lancaster; en Mahdi Nagiloo, een afgestudeerde onderzoeksassistent van de Universiteit van Washington in de natuurkunde.

Dat we energie kunnen halen uit informatie op macroscopische schaal werd het beroemdst geïllustreerd in een gedachte-experiment dat bekend staat als Maxwell's Demon. De "demon" heeft de leiding over een doos gevuld met moleculen. De doos is in tweeën gedeeld door een muur met een deur. Als de demon de snelheid en richting van alle moleculen kent, het kan de deur openen wanneer een snel bewegend molecuul van de linkerhelft van de doos naar de rechterkant beweegt, het laten passeren. Het kan hetzelfde doen voor langzame deeltjes die in de tegenovergestelde richting bewegen, het openen van de deur wanneer een langzaam bewegend molecuul van rechts nadert, ging naar links.

Na verloop van tijd, alle snel bewegende moleculen bevinden zich aan de rechterkant van de doos. Snellere beweging komt overeen met een hogere temperatuur. Op deze manier, de demon heeft een temperatuur onbalans gecreëerd, waar een kant van de doos heter is. Die onbalans in temperatuur kan worden omgezet in werk - om op een zuiger te duwen zoals in een stoommachine, bijvoorbeeld. In eerste instantie leek het gedachte-experiment aan te tonen dat het mogelijk was om een ​​temperatuurverschil te creëren zonder enig werk, en aangezien temperatuurverschillen je in staat stellen om werk te extraheren, men zou een perpetuum mobile kunnen bouwen - een schending van de tweede wet van de thermodynamica.

"Eventueel, Wetenschappers realiseerden zich dat er iets is met de informatie die de demon heeft over de moleculen, "Zei Murch. "Het heeft een fysieke kwaliteit zoals warmte en werk en energie."

Zijn team wilde weten of het mogelijk zou zijn om informatie te gebruiken om op deze manier werk op kwantumschaal te extraheren, te, maar niet door snelle en langzame moleculen te sorteren. Als een deeltje zich in een aangeslagen toestand bevindt, ze konden werk extraheren door het naar een grondtoestand te verplaatsen. (Als het in een grondtoestand was, ze zouden niets doen en geen werk besteden).

Maar ze wilden weten wat er zou gebeuren als de kwantumdeeltjes tegelijkertijd in een aangeslagen toestand en een grondtoestand zouden zijn, analoog aan snel en langzaam tegelijk. In de kwantumfysica, dit staat bekend als een superpositie.

"Kun je werk krijgen van informatie over een superpositie van energietoestanden?" vroeg Murch. "Dat wilden we weten."

Er is een probleem, Hoewel. Op kwantumschaal, informatie krijgen over deeltjes kan een beetje ... lastig zijn.

"Elke keer dat je het systeem meet, het verandert dat systeem, ' zei Murch. En als ze het deeltje zouden meten om erachter te komen in welke staat het zich bevond, het zou terugkeren naar een van de twee toestanden:opgewonden, of grond.

Dit effect wordt kwantumbackaction genoemd. Om er omheen te komen, als je naar het systeem kijkt, onderzoekers (die de "demonen" waren) duurde niet lang, hard kijken naar hun deeltje. In plaats daarvan, ze namen wat een 'zwakke observatie' werd genoemd. Het had nog steeds invloed op de toestand van de superpositie, maar niet genoeg om het helemaal naar een aangeslagen toestand of een grondtoestand te brengen; het bevond zich nog steeds in een superpositie van energietoestanden. Deze observatie was voldoende, Hoewel, om de onderzoekers in staat te stellen met vrij hoge nauwkeurigheid te volgen, precies in welke superpositie het deeltje zich bevond - en dit is belangrijk, omdat de manier waarop het werk uit het deeltje wordt gehaald, afhangt van de superpositie waarin het zich bevindt.

Informatie verkrijgen, zelfs met behulp van de zwakke observatiemethode, moesten de onderzoekers nog even naar het deeltje kijken, wat betekende dat ze licht nodig hadden. Dus stuurden ze wat fotonen binnen, en observeerde de fotonen die terugkwamen.

"Maar de demon mist enkele fotonen, "Zei Murch. "Het wordt maar ongeveer de helft. De andere helft is verloren." Maar - en dit is de sleutel - hoewel de onderzoekers de andere helft van de fotonen niet hebben gezien, die fotonen hadden nog steeds interactie met het systeem, wat betekent dat ze er nog steeds invloed op hadden. Wat dat effect was, wisten de onderzoekers niet.

Ze namen een zwakke meting en kregen wat informatie, maar vanwege kwantumbackaction, ze kunnen uiteindelijk minder weten dan vóór de meting. Op de balans, dat is negatieve informatie.

En dat is raar.

"Doe de regels van de thermodynamica voor een macroscopische, klassieke wereld nog steeds van toepassing als we het hebben over kwantumsuperpositie?' vroeg Murch. zij houden, behalve dat er iets raars is. De informatie kan negatief zijn.

"Ik denk dat dit onderzoek laat zien hoe moeilijk het is om een ​​kwantumcomputer te bouwen, ' zei Murch.

"Voor een normale computer, het wordt gewoon heet en we moeten het afkoelen. In de kwantumcomputer loop je altijd het risico informatie te verliezen."