Maxwells dæmonekstrakter arbejder fra kvantemåling

(Phys.org) – Fysikere har foreslået en ny type Maxwells dæmon – den hypotetiske agent, der udvinder arbejde fra et system ved at mindske systemets entropi – hvor dæmonen kan udvinde arbejde blot ved at foretage en måling, ved at udnytte kvanteudsving og kvantesuperposition.

Teamet af Alexia Auffèves ved CNRS og Université Grenoble Alpes har offentliggjort en artikel om den nye Maxwells dæmon i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"I den klassiske verden, termodynamik lærer os, hvordan man udvinder energi fra termiske svingninger induceret på et stort system (såsom en gas eller vand) ved at koble det til en varm kilde, " Auffèves fortalte Phys.org. "I kvanteverdenen, systemerne er små, og de kan svinge – selvom de ikke er varme, men simpelthen fordi de bliver målt. I vores avis, vi viser, at det er muligt at udvinde energi fra disse ægte kvanteudsving, induceret af kvantemåling."

I årene siden James Clerk Maxwell foreslog den første dæmon omkring 1870, mange andre versioner er blevet teoretisk og eksperimentelt undersøgt. Seneste, fysikere er begyndt at undersøge Maxwells dæmoner, der opererer i kvanteregimet, som en dag kan få konsekvenser for kvanteinformationsteknologier.

De fleste kvanteversioner af dæmonen har et par ting til fælles:De er termisk drevet af et varmebad, og dæmonen foretager målinger kun for at udtrække information. Målingerne uddrager faktisk ikke noget arbejde, men snarere gør informationen opnået ved målingerne det muligt for dæmonen at virke på systemet, så energi altid udvindes fra kredsløbet.

Den nye Maxwells dæmon adskiller sig fra tidligere versioner ved, at der ikke er noget varmebad – dæmonen er ikke termisk drevet, men måledrevet. Også, målingerne har flere formål:De udtrækker ikke kun information om systemets tilstand, men de er også "brændstoffet" til at udvinde arbejde fra systemet. Dette er fordi, når dæmonen udfører en måling på en qubit i det foreslåede system, målingen projicerer qubit fra én tilstand til en superposition af tilstande, som giver energi til qubit blot på grund af måleprocessen. I deres papir, fysikerne foreslog et eksperiment, hvor projektive kvante-ikke-nedrivningsmålinger kan udføres med lysimpulser, der gentages hvert 70 nanosekund eller deromkring.

Da nyere eksperimenter allerede har vist muligheden for at udføre målinger ved så høje frekvenser, fysikerne forventer, at den nye Maxwells dæmon let kan implementeres ved hjælp af eksisterende teknologi. I fremtiden, de planlægger også at undersøge potentielle applikationer til kvanteberegning.

"Denne motor er et perfekt bevis på konceptet, der vidner om, at kvantemåling har et energisk fodaftryk, " sagde Auffèves. "Nu vil jeg gerne vende spillet og bruge denne effekt til at estimere de energiske omkostninger ved kvanteopgaver, hvis de udføres i nærværelse af en eller anden måleenhed. Dette er tilfældet i en kvantecomputer, som løbende 'måles' af sine omgivelser. Denne effekt kaldes dekohærens og er kvanteberegningens største fjende. Vores arbejde giver værktøjer til at vurdere den nødvendige energi for at modvirke det."

© 2017 Phys.org