Kvantegenveje kan ikke omgå termodynamikkens love

(Phys.org) – I løbet af de sidste mange år, fysikere har udviklet kvantegenveje, der fremskynder driften af ​​kvantesystemer. Overraskende nok, nogle af disse genveje ser teoretisk ud til at gøre det muligt for systemer at fungere næsten øjeblikkeligt, mens de ikke bruger ekstra energi - en klar overtrædelse af termodynamikkens anden lov. Selvom fysikere har vidst, at noget er galt, hidtil har løsningen på denne knibe været uklar.

Nu i en ny undersøgelse, fysikere har vist, at kvantegenveje er genstand for en afvejning mellem hastighed og omkostninger, så jo hurtigere et kvantesystem udvikler sig, jo højere er energiomkostningerne ved at implementere genvejen. I overensstemmelse med termodynamikkens love, en uendelig høj hastighed ville være umulig, da det ville kræve en uendelig mængde energi.

Fysikerne, Steve Campbell ved Queen's University Belfast i Storbritannien og University of Milan i Italien, sammen med Sebastian Deffner ved University of Maryland Baltimore County i USA, har udgivet et papir om afvejningen mellem omkostninger og hastighed i kvantegenveje i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"Nogle for nylig foreslåede metoder til at kontrollere kvantesystemer, kaldet genveje til adiabaticitet (STA), ser ud til at være energisk gratis, og endnu mere angående der var intet at sige, at de ikke kunne opnås i forsvindende små tider, " fortalte Campbell Phys.org . "At noget ikke var helt rigtigt, førte os til mere eksplicit at overveje, hvad der sker, når disse teknikker anvendes."

At gøre dette, forskerne anvendte kvantehastighedsgrænsen - en grundlæggende øvre grænse for den hastighed, hvormed et kvantesystem kan fungere, som opstår på grund af Heisenberg-usikkerhedsprincippet. Da kvantehastighedsgrænsen er en konsekvens af dette grundlæggende princip, det skal gælde for alle STA'er, og derfor burde det forbyde dem at operere på vilkårligt korte tider.

"Ved at beregne kvantehastighedsgrænsen, vi viste, at jo hurtigere du vil manipulere et system ved hjælp af en STA, jo højere termodynamiske omkostninger, " Campbell. "Desuden, Øjeblikkelig manipulation er umulig, da det ville kræve en uendelig energi at blive lagt ind."

Som forskerne forklarede, resultaterne er ikke særlig overraskende, bare noget der tog tid at finde ud af.

"Jeg tror, ​​at dette er endnu et tilfælde af 'hvis noget virker for godt til at være sandt, det er typisk, '" Deffner sagde. "Der var sandsynligvis en generel følelse i samfundet, at man bliver nødt til at kvantificere omkostningerne. Vi var bare de første til at finde ud af det."

For at demonstrere nytten af ​​denne afvejning, fysikerne anvendte det på to praktiske systemer. Den første er harmoniske oscillatorer, som har en bred vifte af anvendelser, herunder i test af kvantetermodynamik. Den anden er Landau-Zener-modellen, som har applikationer i adiabatisk kvanteberegning, som brugt i D-Wave maskinen.

I begge modeller, afvejningen sætter praktiske grænser for den ultimative fremskyndelse af disse systemer, der tilbydes af STA'er. Forskerne forventer, at disse begrænsninger vil hjælpe med at guide design og implementering af disse og andre kvantesystemer i fremtiden.

"Vi vil også gerne se nærmere på de andre teknikker til STA, der er blevet udviklet, og se, om vi kan finde lignende afvejninger, "Deffner sagde. "En anden vigtig vej vil være at generalisere vores arbejde til ikke-standard kvantemekanik, såsom Dirac materialer og ikke-lineære systemer."

© 2017 Phys.org