Onderzoekers van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie, ETH Zürich, en Argonne Nationaal Laboratorium, ONS, hebben een uitgebreide kwantum Maxwell's demon beschreven, een apparaat dat plaatselijk de tweede wet van de thermodynamica schendt in een systeem dat zich op één tot vijf meter afstand van de demon bevindt. Het apparaat zou toepassingen kunnen vinden in kwantumcomputers en microscopisch kleine koelkasten die kleine objecten met uiterste nauwkeurigheid afkoelen. Het onderzoek werd op 4 december gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

De tweede wet van de thermodynamica zegt dat in een geïsoleerd systeem, entropie, de mate van wanorde of willekeur, neemt nooit af.

"Onze demon zorgt ervoor dat een apparaat, een qubit genaamd, overgaat naar een meer geordende staat, " legde de hoofdauteur van de studie uit, Andrey Lebedev van MIPT en ETH Zürich. "Belangrijk, de demon verandert de energie van de qubit niet en handelt over een afstand die enorm is voor de kwantummechanica."

Alle kwantumdemonen van Maxwell die tot nu toe door de auteurs of andere onderzoekers zijn beschreven of gecreëerd, hadden een zeer beperkte actieradius:ze bevonden zich in de buurt van het object waarop ze opereerden.

Omdat de demon moet worden "geïnitialiseerd, " of bereid, voorafgaand aan elke interactie met de qubit, wat energie wordt onvermijdelijk besteed aan de locatie van de demon. Dit betekent dat wereldwijd, de tweede wet geldt nog steeds.

Demonische 'zuiverheid'

De studie stelt voor dat de qubit wordt geïmplementeerd als een supergeleidend kunstmatig atoom, een microscopisch apparaat zoals het apparaat dat de onderzoekers eerder hebben voorgesteld voor gebruik als een kwantummagnetometer. Zo'n qubit zou worden gemaakt van dunne aluminiumfilms die op een siliciumchip zijn afgezet. De reden dat dit systeem een ​​kunstmatig atoom wordt genoemd, is dat bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt, het gedraagt ​​zich als een atoom met twee basistoestanden:de grondtoestand en de aangeslagen toestanden.

Een qubit kan tegelijkertijd gemengde "pure" en "onzuivere" toestanden vertonen. Als een qubit zich in een van de twee basistoestanden bevindt, maar het is niet zeker welke, zijn toestand wordt 'onzuiver' genoemd. Als dat het geval is, een klassieke waarschijnlijkheid voor het vinden van het kunstmatige atoom in een van de twee toestanden kan worden berekend.

Echter, net als een echt atoom, de qubit bevindt zich mogelijk in een kwantumsuperpositie van de grond en de aangeslagen toestanden. Een kwantumsuperpositie is een speciale toestand die kan worden teruggebracht tot geen van de basistoestanden. Deze zogenaamde zuivere staat, die de klassieke notie van waarschijnlijkheid tart, wordt geassocieerd met meer orde, en dus minder entropie. Het kan slechts een fractie van een seconde bestaan ​​voordat het weer degenereert naar een onzuivere staat.

De demon die in het artikel wordt beschreven, is een andere qubit die met de eerste is verbonden door een coaxkabel die microgolfsignalen draagt. Een gevolg van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg is dat eenmaal verbonden door een transmissielijn, de qubits beginnen virtuele fotonen uit te wisselen, delen van microgolfstraling. Deze fotonenuitwisseling stelt de qubits in staat om van toestand te wisselen.

Als een zuivere staat kunstmatig in de demon wordt opgewekt, het kan dan van status wisselen met de doel-qubit, het begiftigen met "zuiverheid" in ruil voor een onzuivere staat van dezelfde energie. Door de doelqubit te zuiveren, de entropie wordt verminderd, maar de energie wordt niet beïnvloed. Het resultaat is dat de demon entropie wegleidt van een systeem dat geïsoleerd is in termen van energie, namelijk, de doel-qubit. Dit resulteert in de schijnbare schending van de tweede wet als de doel-qubit lokaal wordt beschouwd.

Quantum nanokoelkast

Het kunnen zuiveren van een doelqubit over een macroscopische afstand is vanuit praktisch oogpunt belangrijk. In tegenstelling tot de onzuivere staat, de pure kan op een relatief eenvoudige en voorspelbare manier in de grond of de aangeslagen toestand worden geschakeld met behulp van een elektromagnetisch veld. Deze bewerking kan nuttig zijn in een kwantumcomputer, waarvan de qubits bij de lancering in de grondtoestand moeten worden geschakeld. Dit op afstand doen is belangrijk, aangezien de aanwezigheid van een demon in de buurt van de kwantumcomputer deze op nadelige wijze zou beïnvloeden.

Een andere mogelijke toepassing van de demon heeft te maken met het volgende:Door de doelqubit om te schakelen naar de pure en vervolgens naar de grondtoestand, wordt de directe omgeving iets kouder. Dit verandert het voorgestelde systeem in een koelkast van nanoformaat die in staat is om delen van moleculen met uiterste nauwkeurigheid te koelen.

"Een conventionele koelkast koelt zijn volledige volume, terwijl de qubit 'nanofridge' zich op een bepaalde plek zou richten. Dit is in sommige gevallen wellicht effectiever, " legde de co-auteur van de krant Gordey Lesovik uit, die aan het hoofd staat van MIPT's Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology. "Bijvoorbeeld, je zou kunnen implementeren wat bekend staat als algoritmische koeling. Dit zou inhouden dat de code van een primaire, 'quantum'-programma met een subprogramma dat is ontworpen om specifiek de heetste qubits te koelen.

"Een verdere wending is dat met elke 'warmtemachine, ' je kunt het in omgekeerde volgorde uitvoeren, het veranderen van een warmtemotor in een koelkast of omgekeerd, "voegde de natuurkundige toe. "Dit geeft ons een zeer selectieve verwarming, ook. Om het in te schakelen, we zouden de doel-qubit in de aangeslagen toestand zetten in plaats van in de grondtoestand, waardoor de verblijfplaats van de qubit heter wordt."

Deze koel- of verwarmingscyclus kan herhaaldelijk worden uitgevoerd, aangezien de doel-qubit korte tijd zijn pure staat behoudt, waarna het de onzuivere staat binnengaat, die de thermische energie van de omgeving verbruiken of afgeven. Bij elke iteratie, de locatie van de qubit wordt geleidelijk koeler of warmer, respectievelijk.

Naast het bereik van de demon, de auteurs hebben de maximale temperatuur geschat van de coaxkabel die tussen de qubits loopt. Boven deze temperatuur de kwantumeigenschappen van het systeem gaan verloren en de demon werkt niet meer. Hoewel de kabeltemperatuur enkele graden boven het absolute nulpunt niet mag overschrijden, dit is niettemin ongeveer 100 keer heter dan de werktemperatuur van de qubits. Dit maakt het aanzienlijk eenvoudiger om de voorgestelde opstelling experimenteel te implementeren.

Het team is al bezig met de uitvoering van het experiment.