Onderzoekers van de Universiteit van Florence en het Istituto dei Sistemi Complessi, in Italië, hebben onlangs aangetoond dat de invasiviteit van kwantummetingen niet altijd nadelig is. In een studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze toonden aan dat deze invasieve kwaliteit daadwerkelijk kan worden geëxploiteerd, kwantummetingen gebruiken om een ​​koelmotor van brandstof te voorzien.

Michel Campisi, een van de bij het onderzoek betrokken onderzoekers, bestudeert al enkele jaren kwantumverschijnselen. In zijn recente werk hij onderzocht of kwantumverschijnselen de thermodynamica van nanoscopische apparaten kunnen beïnvloeden, zoals die worden gebruikt in kwantumcomputers.

"De meeste collega's in het veld keken naar coherentie en verstrengeling, terwijl slechts weinigen naar een ander keken naar echt kwantumfenomeen, d.w.z., het kwantummeetproces, Campisi vertelde Phys.org. "Die studies suggereerden dat je metingen moet begeleiden met feedbackcontrole, zoals in de demon van Maxwell, om hun potentieel te benutten. Ik begon erover na te denken, en eureka - aangezien kwantummetingen zeer invasief zijn, ze gaan gepaard met energie-uitwisselingen, daarom kan het worden gebruikt om motoren aan te drijven zonder dat feedbackcontrole nodig is."

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat warmte van nature stroomt van hete naar koude lichamen. Eerdere studies hebben aangetoond dat er twee manieren zijn om deze natuurlijke warmtestroom om te keren:door gebruik te maken van werk geleverd door een externe, tijdsafhankelijke drijvende kracht of door het implementeren van een Maxwell-demon, die de warmte stuurt via een feedback-regellus.

In hun studie hebben Campisi en zijn collega's toonden aan dat er, in feite, een derde methode om de warmtestroom om te keren, die gebaseerd is op de kwantummechanica. Deze techniek omvat het gebruik van invasieve kwantummetingen als brandstof voor koeling, zonder enige feedbackcontrole. De onderzoekers noemen dit mechanisme Quantum Measurement Cooling (QMC).

"Het algemene wiskundige raamwerk is de standaard kwantummechanica, maar we moesten een mix van geavanceerde numerieke en analytische methoden gebruiken om alle facetten van koeling van kwantummetingen te onderzoeken, "Lorenzo Buffoni, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Bijvoorbeeld, om de robuustheid voor experimentele ruis te beoordelen, hebben we uitgebreide Monte Carlo-sampling gebruikt van de hoogdimensionale ruimte van mogelijke meetprojectoren, en gebruikte machine learning-technieken om de gegevens te analyseren en te visualiseren."

Campisi en zijn collega's illustreerden QMC aan de hand van een prototypische tweetakt twee-qubitmotor. Deze motor interageert met het meetapparaat dat door de onderzoekers wordt gebruikt, evenals met twee warmtereservoirs die op verschillende temperaturen zijn ingesteld.

"We begonnen ook aan de taak om de optimale thermodynamische prestaties te vinden door middel van analytische methoden, wat erg uitdagend was, "Andrea Sofanelli, een andere onderzoeker die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "We hebben de stelling van Birkhoff gebruikt om de zogenaamde overgangsmatrix (die alle relevante informatie over de energie-uitwisselingen in ons probleem bevat) uit te drukken in termen van permutaties, wat het probleem vereenvoudigde. Maar we bleven daarmee steken totdat we een weinig bekende stelling van lineaire algebra vonden die teruggaat tot het begin van de jaren negentig, die uiteindelijk tot de oplossing hebben geleid."

Campisi, Buffoni, Koekoek, Solfanelli en hun collega Paola Verrucchi hebben aangetoond dat de invasiviteit van kwantummetingen kan worden gebruikt om een ​​koelmotor van brandstof te voorzien via het QMC-mechanisme dat ze hebben gerapporteerd. QMC vereist geen feedbackcontrole, maar verstrengeling moet aanwezig zijn in de meetprojectoren.

De onderzoekers berekenden de kans dat QMC optreedt wanneer de meetbasis willekeurig wordt gekozen. Ze ontdekten dat deze kans erg groot kan zijn in vergelijking met de kans om energie te winnen (d.w.z. het laten draaien van de warmtemotor), toch is het kleiner dan de kans op de minst belangrijke operatie (d.w.z. het dumpen van warmte in beide baden).

"Aantonen dat het meten van een kwantumsysteem gemaakt door twee qubits op zichzelf (d.w.z. zonder feedbackcontrole) bruikbare thermodynamische effecten kan produceren, vertegenwoordigt zeker de meest betekenisvolle uitkomst van ons onderzoek, "Alessandro Cuccoli, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Dit volgt uit het bekijken van het kwantummeetproces vanuit een breder perspectief, waarbij zowel het systeem als zijn omgeving, en de energie-uitwisselingen die de meting begeleiden, worden beschouwd."

Volgens Cuccoli, de door de onderzoekers ontwikkelde thermische motor met twee quibits zou gemakkelijk kunnen worden ontworpen om als koelapparaat te werken. Dit zou, onder andere, de fabricage van de verwerkingseenheden van een kwantumcomputer mogelijk maken om te worden geïntegreerd met hulpapparaten die ze op de vereiste lage temperatuur kunnen houden, aangezien beide kunnen worden bereikt met behulp van qubits.

"Een verdere inzichtelijke observatie is dat om bruikbare thermodynamische effecten te krijgen, het meetproces moet betrekking hebben op 'verstrengelde' toestanden, d.w.z. bijzonder kwantumgecorreleerde toestanden van de twee qubits, waardoor het intieme verband tussen informatie en energie-uitwisselingen wordt onthuld, " voegde Cuccoli toe. "Het verdiepen van ons begrip van een dergelijke relatie in nanoscopische kwantummotoren is een van de grootste uitdagingen die ons huidige en toekomstige onderzoek op het gebied van kwantumthermodynamica aandrijven."

Het onderzoek van Campisi, Buffoni, Koekoek, Solfanelli en Verrucchi introduceerden een geheel nieuw mechanisme dat de natuurlijke warmtestroom kan omkeren, ingrijpen met de tweede wet van de thermodynamica, zonder feedback controle eisen. In de toekomst, hun bevindingen kunnen vele toepassingen hebben, bijvoorbeeld, helpen bij de ontwikkeling van apparaten om kwantumcomputers te koelen.

Het team van onderzoekers dat bij deze studie betrokken is, maakt deel uit van een samenwerkingsconsortium dat bestaat uit 12 onderzoeksgroepen van wereldklasse, waaronder experimentatoren en theoretici van acht E.U. landen. Ze zijn momenteel op zoek naar de middelen die nodig zijn om hun werk de komende jaren te ondersteunen.

"We kijken ernaar uit om samen te werken met experimentele groepen die mogelijk geïnteresseerd zijn in het bouwen van een functionerende koeler voor kwantummetingen, Campisi zei. "Het volledige begrip en de beheersing van de energie van kwantumsystemen en apparaten is dringend nodig, en roept op tot een gezamenlijke internationale inspanning om de technologische ontwikkeling te versnellen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk