Heb je ooit geprobeerd je avondeten te ontdooien door het in de ene identieke vriezer na de andere te doen? Hoe vreemd het ook klinkt, recente studies van onbepaalde causale volgorde - waarin verschillende volgordes van gebeurtenissen kwantum worden gesuperponeerd - suggereren dat dit echt zou kunnen werken voor kwantumsystemen. Onderzoekers van de Universiteit van Oxford laten zien hoe het fenomeen kan worden toegepast in een soort kwantumkoeling.

De resultaten volgen rapporten van de effecten van onbepaalde causale orde in kwantumberekening en kwantumcommunicatie. "Mensen vroegen:is het kwantumcircuitmodel een volledige beschrijving van elke mogelijke kwantumordening van gebeurtenissen?" legt David Felce uit, een doctoraat student aan de Universiteit van Oxford, zoals hij beschrijft hoe onderzoek naar onbepaalde causale orde de afgelopen 10 jaar is ontstaan.

Het onderzoeken van deze vraag leidde tot studies van toestanden die door depolariserende kanalen gaan waarin een goed gedefinieerde begintoestand in een totaal willekeurige toestand terechtkomt. Er is geen zinvolle informatieoverdracht mogelijk via een depolariserend kanaal, maar dingen veranderen wanneer de kwantumtoestand door het ene depolarisatiekanaal na het andere wordt gevoerd in een onbepaalde causale volgorde. Dan is de volgorde van de kanalen in een superpositie, en verstrikt in een controle-qubit, die zich in een superpositie van verschillende toestanden bevindt. Onderzoekers hebben ontdekt dat wanneer een toestand in een onbepaalde causale volgorde door twee depolariserende kanalen gaat, een bepaalde hoeveelheid informatie wordt verzonden als de controle-qubit ook kan worden gemeten.

"Thermalisering lijkt veel op depolarisatie, " legt Felce uit, uitleggen dat in plaats van je een volledig willekeurige toestand te geven, thermalisatie geeft je een toestand die meestal willekeurig is met een hogere of lagere kans om in de hogere of lagere energietoestand te zijn, afhankelijk van de temperatuur. "Ik dacht, als je iets twee keer in een onbepaalde causale volgorde thermaliseert, dan krijg je niet de temperatuurtoestand die je zou verwachten." Onverwachte temperatuurresultaten van thermalisatie kunnen thermodynamisch nuttig zijn, hij voegt toe.

Felce en University of Oxford Professor in Information Science Vlatko Vedral analyseerden uitdrukkingen voor een thermaliserend kanaal beschreven in soortgelijke termen als een depolariserend kanaal en beschouwden de effecten van onbepaalde causale volgorde. Een van de "rare" effecten die ze vonden, was de mogelijkheid om een ​​kwantumtoestand te thermaliseren met twee thermische reservoirs bij dezelfde temperatuur met onbepaalde causale volgorde en te eindigen met de toestand in een andere temperatuur. De onderzoekers stellen een koelcyclus voor met dit als eerste stap. Volgende, het zou nodig zijn om de controle-qubit te meten om erachter te komen of de temperatuur van de gethermiseerde kwantumtoestand is verhoogd of niet. Als het heeft, vervolgens dezelfde toestand klassiek thermaliseren met een heet reservoir (stap twee) dan zou een koud reservoir (stap drie) het koude reservoir kunnen koelen omdat de warmte die van de toestand terug naar het koude reservoir wordt overgedragen, minder zou zijn dan die overgedragen door de koude reservoirs naar de staat in stap één.

In een oogopslag, dit lijkt misschien in strijd met de wetten van de thermodynamica. Een conventionele koelkast werkt omdat hij is aangesloten op het lichtnet of een andere energiebron, dus wat levert de energie voor de kwantumkoeling van onbepaalde causale orde? Felce legt uit dat dit op dezelfde manier kan worden beschreven als de demon van Maxwell past bij de wetten van de thermodynamica.

Maxwell had de hypothese geopperd dat een demon die de deur van een scheidingswand in een doos met deeltjes bewaakt, de temperatuur van deeltjes zou kunnen meten en de deur zou kunnen openen en sluiten om de koude en hete deeltjes in afzonderlijke scheidingswanden van de doos te sorteren. het verminderen van de entropie van het systeem. Volgens de wetten van de thermodynamica, entropie moet altijd toenemen als er geen werk wordt verricht. Wetenschappers hebben sindsdien de schijnbare inconsistentie verklaard door te benadrukken dat de demon de deeltjes meet, en dat de informatie die is opgeslagen op hun gemeten temperaturen een bepaalde hoeveelheid energie nodig heeft om te wissen - de wisenergie van Landauer.

Felce wijst erop dat, net als de demon van Maxwell, in elke cyclus van de kwantumkoelkast, het is noodzakelijk een meting uit te voeren op de controle-qubit om te weten in welke volgorde de dingen zijn gebeurd. "Zodra u deze in wezen willekeurige informatie op uw harde schijf hebt opgeslagen, als u uw harde schijf in de oorspronkelijke staat wilt herstellen, dan heb je energie nodig om de harde schijf te wissen, "zegt hij. "Dus je zou kunnen denken aan het voeden van de koelkast met lege harde schijven, in plaats van elektriciteit, rennen."

Volgende, Felce is van plan om manieren te onderzoeken om de koelkast voor onbepaalde causale volgorde te implementeren. Tot dusver, experimentele implementaties van onbepaalde causale orden hebben controle-qubits gebruikt in een superpositie van polarisatietoestanden. Een polarisatie-afhankelijke bundelsplitser zou dan een foton door een circuit sturen in een andere richting, afhankelijk van de polarisatie, zodat een superpositie van polarisatietoestanden leidt tot een superpositie in de volgorde waarin het foton door de circuitelementen gaat. Felce is ook geïnteresseerd in het generaliseren van de resultaten naar meer reservoirs.

© 2020 Wetenschap X Netwerk