in de natuurkunde, het is essentieel om een ​​theoretische aanname in de praktijk te kunnen aantonen, fysieke experimenten. Al meer dan honderd jaar, natuurkundigen zijn zich bewust van het verband tussen de concepten van wanorde in een systeem, en informatie verkregen door meting. Echter, een zuivere experimentele beoordeling van deze link in gemeenschappelijke bewaakte systemen, dat zijn systemen die continu in de tijd worden gemeten, ontbrak tot nu toe.

Maar nu, met behulp van een "kwantumdrum, " een trillende, mechanisch membraan, onderzoekers van het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, hebben een experimentele opstelling gerealiseerd die het fysieke samenspel tussen de aandoening en de uitkomsten van een meting laat zien. Het belangrijkste is, deze uitkomsten maken het mogelijk om orde te scheppen in het grotendeels ongeordende systeem, een algemeen hulpmiddel bieden om de toestand van het systeem te construeren, essentieel voor toekomstige kwantumtechnologieën, zoals kwantumcomputers. Het resultaat is nu gepubliceerd in als een suggestie van de redactie in Fysieke beoordelingsbrieven .

Metingen zullen altijd een mate van verstoring introduceren van elk systeem dat wordt gemeten. In het gewone, fysieke wereld, dit is meestal niet relevant, omdat het voor ons perfect mogelijk is om te meten, zeggen, de lengte van een tafel zonder die verstoring op te merken. Maar op de kwantumschaal zoals de bewegingen van de membranen die worden gebruikt in het Schliesser-lab van het Niels Bohr Institute, de gevolgen van de verstoring door metingen zijn enorm. Deze grote verstoringen verhogen de entropie, of wanorde, van het onderliggende systeem, en blijkbaar uitsluiten om een ​​bestelling uit de meting te halen. Maar voordat we uitleggen hoe het recente experiment dit heeft gerealiseerd, de begrippen entropie en thermodynamica hebben een paar woorden nodig.

Een ei breken is thermodynamica

De wet van de thermodynamica omvat extreem gecompliceerde processen. Het klassieke voorbeeld is dat als een ei van een tafel valt, het breekt op de vloer. Bij de aanrijding warmte wordt geproduceerd - naast vele andere fysieke processen - en als je je voorstelt dat je al deze gecompliceerde processen zou kunnen beheersen, er is niets in de natuurkundige wetten dat zegt dat je het proces niet kunt omkeren. Met andere woorden, het ei zou zichzelf kunnen verzamelen en weer naar het tafeloppervlak kunnen vliegen, als we het gedrag van elk afzonderlijk atoom zouden kunnen controleren, en het proces omkeren. Het is theoretisch mogelijk.

Je kunt een ei ook zien als een geordend systeem, en als het breekt, het wordt extreem ongeordend. Natuurkundigen zeggen dat de entropie, de hoeveelheid wanorde, is toegenomen. De wetten van de thermodynamica vertellen ons dat de stoornis in feite altijd zal toenemen, niet andersom:eieren springen dus over het algemeen niet van de vloer, verzamelen en landen op tafels in de echte wereld.

Correcte uitlezingen van het kwantumsysteem zijn essentieel - en notoir moeilijk te verkrijgen

Als we ons wenden tot de kwantummechanica, de wereld ziet er nogal anders uit, en toch hetzelfde. Als we continu de verplaatsing van een mechanische meten, bewegend systeem zoals de "membraan-trommel" (afbeelding 1) met een precisie die alleen wordt beperkt door de kwantumwetten, deze meting verstoort de beweging grondig. Dus je zult uiteindelijk een verplaatsing meten die tijdens het meetproces zelf wordt verstoord, en de uitlezing van de oorspronkelijke verplaatsing zal worden bedorven - tenzij u de geïntroduceerde wanorde ook kunt meten.

In dit geval, je kunt de informatie over de wanorde gebruiken om de entropie die door de meting wordt geproduceerd te verminderen en er orde uit te halen - vergelijkbaar met het beheersen van de wanorde in het verbrijzelde eiersysteem. Maar deze keer hebben we ook de informatie over de verplaatsing, dus we hebben onderweg iets geleerd over het hele systeem, en, cruciaal, we hebben toegang tot de oorspronkelijke vibratie van het membraan, d.w.z. de juiste uitlezing.

Een algemeen raamwerk voor het begrijpen van entropie in kwantumsystemen

"Het verband tussen thermodynamica en kwantummetingen is al meer dan een eeuw bekend. een experimentele beoordeling van deze link ontbrak tot nu toe, in het kader van continumetingen. Dat is precies wat we met dit experiment hebben gedaan. Het is absoluut essentieel dat we begrijpen hoe metingen entropie en wanorde produceren in kwantumsystemen, en hoe we het gebruiken om controle te hebben over de uitlezingen die we in de toekomst zullen hebben van, zeggen, een kwantumsysteem zoals een kwantumcomputer.

Als we de verstoringen niet kunnen beheersen, we zullen in principe de uitlezingen niet kunnen begrijpen - en de uitlezingen van de kwantumcomputer zullen onleesbaar zijn, en nutteloos, natuurlijk, " zegt Massimiliano Rossi, doctoraat student en eerste auteur van het wetenschappelijke artikel. "Dit raamwerk is belangrijk om een ​​algemene basisbasis te creëren voor ons begrip van entropieproducerende systemen op de kwantumschaal. Dat is eigenlijk waar deze studie in de grotere schaal van dingen in de natuurkunde past."