Onderzoekers van Institut Néel-CNRS, University of Saint Louis en University of Rochester realiseerden onlangs een motor van twee qubits, gevoed door verstrengeling en lokale metingen. Het unieke ontwerp van deze motor, geschetst in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou opwindende mogelijkheden voor thermodynamisch onderzoek kunnen openen en de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën kunnen informeren.

"Ons artikel is gebaseerd op een heel eenvoudig en diepgaand effect van de kwantummechanica:het meten van een kwantumsysteem verstoort het systeem, d.w.z., verandert zijn toestand op een willekeurige manier, " Alexia Auffèves, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org . "Als onmiddellijk gevolg het meetapparaat levert zowel energie als entropie aan het kwantumsysteem, een rol spelen die lijkt op een hete bron die een thermische motor van brandstof voorziet. Het opvallende verschil is dat hier de brandstof is niet thermisch, maar kwantum."

Een paar jaar geleden, Auffèves en enkele van haar collega's van het Institut Néel-CNRS introduceerden de proof of concept voor een meetgestuurde motor op basis van een enkele qubit. Dit was de eerste van een reeks voorstellen die de energetische tegenhanger van meetapparatuur blootlegden.

Tot dusver, meetprocessen werden meestal gemodelleerd met behulp van klassieke theoretische benaderingen. In hun nieuwe krant de onderzoekers zetten een gedurfde stap voorwaarts door 'de zwarte doos' van meetapparatuur te openen en te bekijken vanuit een kwantumfysisch perspectief.

"We hebben specifiek gekeken naar het creëren van kwantumcorrelaties tussen het te meten systeem en een 'kwantummeter', '", zei Auffèves. "We hebben de energie- en entropiestromen langs dit proces gevolgd, onthulling van de microscopische oorsprong van de meetbrandstof. Dit was de belangrijkste doelstelling van ons werk."

In hun studie hebben Auffèves en haar collega's richtten zich dus op zogenaamde 'composietsystemen'. Hun analyse leidde uiteindelijk tot het ontwerp van een meetgestuurde engine op basis van verstrengelde qubits. Naast lokale metingen, deze motor wordt aangedreven door een fysiek fenomeen dat bekend staat als kwantumverstrengeling. Verstrengeling vindt plaats wanneer een reeks deeltjes op elkaar inwerken of verbonden blijven, zodat de acties die door de ene worden uitgevoerd, de andere beïnvloeden, zelfs als er een aanzienlijke afstand tussen hen is.

De door de onderzoekers voorgestelde nieuwe engine heeft twee qubits. Een qubit is een kwantumsysteem met twee energietoestanden:de grondtoestand |0> en de aangeslagen toestand |1> ,

"Als een qubit wordt gemeten in |1> , men kan er deterministisch een hoeveelheid energie uit halen, een foton genoemd, " zei Auffèves. "Als het foton wordt vrijgegeven, de qubit is terug naar |0> door energiebesparing. Respectievelijk, wanneer de qubit in |0> . staat , men kan één foton leveren om het op te wekken in de |1> staat."

Auffèves en haar collega's speelden met twee qubits van verschillende kleuren:een rode en een blauwe. De rode qubit wisselt rode fotonen uit, terwijl de blauwe blauwe fotonen uitwisselt. Opmerkelijk, de rode qubit draagt ​​minder energie dan de blauwe qubit.

Het door de onderzoekers gebruikte protocol levert in eerste instantie een rood foton aan de rode qubit, voorbereiding |1 _een > terwijl de blauwe qubit |0 . is _B > . Vervolgens, de qubits interageren door fotonen met elkaar uit te wisselen, verstrikt raken.

"Toen hebben we de blauwe qubit gemeten, " zei Auffèves. "Als het wordt gemeten in |0 _B > we zijn terug in de oorspronkelijke staat, en het proces start opnieuw. Als het wordt gemeten in |1 _B > een blauw foton kan worden geëxtraheerd. Omdat blauwe fotonen energieker zijn dan rode, men haalt gemiddeld energie uit het proces. Zoals we laten zien en analyseren, deze energie komt van het meetapparaat."

De door Auffèves en haar collega's voorgestelde meetmotor is gebaseerd op een samengestelde werkstof, en verstrengeling speelt een cruciale rol in het brandstofmechanisme. De onderzoekers waren in staat om een ​​kwantitatieve beoordeling uit te voeren van de twee fysieke bronnen die door kwantummetingen werden gebracht, namelijk informatie en brandstof. In aanvulling, ze onderzochten de effecten van deze middelen op de prestaties van de motor.

"Onze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de fundamentele energetische bronnen die in het spel zijn wanneer een kwantumsysteem wordt gemeten, of gelijkwaardig, wanneer kwantumcorrelaties worden gecreëerd tussen een kwantumsysteem en een kwantummeter, "Auffèves zei. "Oorspronkelijk, deze resultaten zijn geldig bij afwezigheid van een goed gedefinieerde temperatuur, aangezien de enige beschouwde bron van ruis de meting zelf is."

Auffèves en haar collega's behoorden tot de eersten die meetmotoren uitbreidden naar samengestelde werkstoffen en een microscopische interpretatie gaven van het brandstofmechanisme. Hun bevindingen kunnen helpen om concepten met betrekking tot thermodynamica uit te breiden naar kwantumbronnen van ruis, zoals die in een cryostaat kunnen verschijnen.

In de toekomst, het werk van de onderzoekers zou andere teams kunnen inspireren om vergelijkbare motoren te realiseren. In aanvulling, hun studie zou een geheel nieuw onderzoeksgebied kunnen openen, waarvan zij suggereren dat ze 'kwantum-energetica' zouden kunnen worden genoemd.

"Onze resultaten werpen nieuw licht op het meetpostulaat in de kwantummechanica, "Auffèves zei. "Aangezien dit mechanisme nog steeds fundamentele debatten voedt, men kan hopen dat kwantum energie nieuwe meetbare grootheden verschaft om onderscheid te maken tussen de verschillende interpretaties van kwantummechanica. Aan een meer toegepaste kant, de energetische voetafdrukken van kwantummeting en verstrengeling zullen een impact hebben op de energiekosten van kwantumtechnologieën en hun potentieel voor schaalbaarheid."

© 2021 Science X Network