Theoretisch natuurkundigen van Trinity College Dublin hebben een diepgaand verband gevonden tussen een van de meest opvallende kenmerken van de kwantummechanica - kwantumverstrengeling - en thermalisatie, dat is het proces waarbij iets in thermisch evenwicht komt met zijn omgeving.

Hun resultaten worden vandaag [vrijdag 31 januari 2020] gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

We zijn allemaal bekend met thermalisatie - bedenk eens hoe uw koffie na verloop van tijd op kamertemperatuur komt. Kwantumverstrengeling daarentegen is een ander verhaal.

Toch werk uitgevoerd door Marlon Brenes, doctoraat Kandidaat, en professor John Goold van Trinity, in samenwerking met Silvia Pappalardi en professor Alessandro Silva bij SISSA in Italië, laat zien hoe de twee onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn.

Het belang van de ontdekking uitleggen, Professor Goud, leider van de QuSys-groep van Trinity, verklaart:

"Kwantumverstrengeling is een contra-intuïtief kenmerk van de kwantummechanica, waardoor deeltjes die op een bepaald moment met elkaar in wisselwerking zijn geweest, gecorreleerd kunnen worden op een manier die klassiek niet mogelijk is. Metingen aan het ene deeltje beïnvloeden de resultaten van metingen van het andere deeltje, zelfs als ze lichtjaren uit elkaar liggen. Einstein noemde dit effect 'spookachtige actie op afstand'."

"Het blijkt dat verstrikking niet alleen griezelig is, maar eigenlijk alomtegenwoordig en wat nog verbazingwekkender is, is dat we in een tijdperk leven waarin technologie deze functie begint te exploiteren om prestaties te leveren die slechts een aantal jaren als onmogelijk werden beschouwd go. Deze kwantumtechnologieën worden snel ontwikkeld in de particuliere sector, waarbij bedrijven als Google en IBM voorop lopen."

Maar wat heeft dit allemaal te maken met koude koffie?

Professor Goold legt uit:"Als je een kopje koffie zet en een tijdje laat staan, zal het afkoelen totdat het de temperatuur van zijn omgeving bereikt. Dit is thermalisatie. In de natuurkunde zeggen we dat het proces onomkeerbaar is - zoals we weten, onze eenmaal warme koffie koelt niet af en wordt dan op magische wijze weer opgewarmd. Hoe onomkeerbaarheid en thermisch gedrag naar voren komen in fysieke systemen is iets dat mij als wetenschapper fascineert, aangezien het van toepassing is op schalen zo klein als atomen, tot kopjes koffie, en zelfs tot de evolutie van het universum zelf. in de natuurkunde, statistische mechanica is de theorie die tot doel heeft dit proces vanuit een microscopisch perspectief te begrijpen. Voor kwantumsystemen is de opkomst van thermalisatie notoir lastig en staat centraal in dit huidige onderzoek."

Dus wat heeft dit allemaal te maken met verstrengeling en wat zeggen je resultaten?

"In de statistische mechanica zijn er verschillende manieren, bekend als ensembles, waarin je kunt beschrijven hoe een systeem thermaliseert, waarvan wordt aangenomen dat ze allemaal gelijkwaardig zijn als je een groot systeem hebt (ongeveer op een schaal van 10 ^ 23 atomen). Echter, wat we in ons werk laten zien, is dat niet alleen verstrengeling aanwezig is in het proces, maar de structuur is heel anders, afhankelijk van de manier waarop u uw systeem wilt beschrijven. Dus, het geeft ons een manier om fundamentele vragen in statistische mechanica te testen. Het idee is algemeen en kan worden toegepast op een reeks systemen zo klein als een paar atomen en zo groot als zwarte gaten."

Marlon Brenes, doctoraat kandidaat bij Trinity en eerste auteur van het artikel, gebruikte supercomputers om kwantumsystemen te simuleren om het idee te testen.

Brenes, een cijferspecialist, zei:"De numerieke simulaties voor dit project die ik heb uitgevoerd, zitten aan de limiet van wat momenteel kan worden gedaan op het niveau van high-performance computing. Om de code uit te voeren, gebruikte ik de nationale faciliteit, ICHEC, en de nieuwe Kay-machine daar. Dus, het werk was niet alleen een mooi fundamenteel resultaat, maar hielp ons ook echt de grenzen van dit soort computationele benadering te verleggen en vast te stellen dat onze codes en de nationale architectuur op het scherpst van de snede presteren."