Verminderde entropie in een driedimensionaal rooster van supergekoelde, lasergevangen atomen kunnen de voortgang naar het maken van kwantumcomputers helpen versnellen. Een team van onderzoekers van Penn State kan een willekeurig verdeelde reeks atomen herschikken in netjes georganiseerde blokken, daarmee de functie van een "Maxwell's demon" vervullend - een gedachte-experiment uit de jaren 1870 dat de tweede wet van de thermodynamica uitdaagde. De georganiseerde blokken atomen zouden de basis kunnen vormen voor een kwantumcomputer die ongeladen atomen gebruikt om gegevens te coderen en berekeningen uit te voeren. Een paper waarin het onderzoek wordt beschreven, verschijnt op 6 september, 2018 in het journaal Natuur .

"Traditionele computers gebruiken transistors om gegevens te coderen als bits die zich in twee toestanden kunnen bevinden:nul of één, " zei David Weiss, hoogleraar natuurkunde aan Penn State en de leider van het onderzoeksteam. "We bedenken kwantumcomputers die atomen gebruiken als 'kwantumbits' of 'qubits' die gegevens kunnen coderen op basis van kwantummechanische fenomenen waardoor ze tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen zijn. Door de atomen in een verpakt 3D-raster te organiseren, kunnen we passen veel atomen in een klein gebied en maken de berekening eenvoudiger en efficiënter."

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de entropie - soms beschouwd als wanorde - van een systeem niet in de loop van de tijd kan afnemen. Een van de gevolgen van deze wet is dat het de mogelijkheid van een perpetuum mobile uitsluit. Rond 1870, James Clerk Maxwell stelde een gedachte-experiment voor waarin een demon een poort tussen twee gaskamers kon openen en sluiten, waardoor warmere atomen in de ene richting kunnen passeren en koelere atomen in de andere. Deze sortering, waarvoor geen energie nodig was, zou resulteren in een vermindering van entropie in het systeem en een temperatuurverschil tussen de twee kamers die als warmtepomp zouden kunnen worden gebruikt om werk uit te voeren, dus de tweede wet overtreden.

"Later werk heeft aangetoond dat de demon de tweede wet niet echt schendt en vervolgens zijn er veel pogingen geweest om experimentele systemen te bedenken die zich als de demon gedragen, "zei Weiss. "Er zijn enkele successen geboekt op zeer kleine schaal, maar we hebben een systeem gecreëerd waarin we een groot aantal atomen kunnen manipuleren, organiseren op een manier die de entropie van het systeem vermindert, net als de demon."

De onderzoekers gebruiken lasers om atomen te vangen en af ​​te koelen in een driedimensionaal rooster met 125 posities gerangschikt als een kubus van 5 bij 5 bij 5. Vervolgens vullen ze willekeurig ongeveer de helft van de posities in het rooster met atomen. Door de polarisatie van de laservallen aan te passen, de onderzoekers kunnen atomen individueel of in groepen verplaatsen, het reorganiseren van de willekeurig verdeelde atomen om ofwel 5 bij 5 bij 2 of 4 bij 4 bij 3 subsets van het rooster volledig te vullen.

"Omdat de atomen worden afgekoeld tot een zo laag mogelijke temperatuur, de entropie van het systeem wordt bijna volledig bepaald door de willekeurige configuratie van de atomen in het rooster, " zei Weiss. "In systemen waar de atomen niet supergekoeld zijn, de trillingen van de atomen vormen het grootste deel van de entropie van het systeem. In een dergelijk systeem, het organiseren van de atomen verandert weinig aan de entropie, maar in ons experiment, we laten zien dat het organiseren van de atomen de entropie binnen het systeem verlaagt met een factor van ongeveer 2,4."