Forskere finder, at kvante Maxwells dæmon kan opgive oplysninger for at udtrække arbejde

Termodynamik er en af ​​de mest menneskelige af videnskabelige virksomheder, ifølge Kater Murch, lektor i fysik i kunst og videnskab ved Washington University i St. Louis.

"Det har at gøre med vores fascination af ild og vores dovenskab, "sagde han." Hvordan kan vi få ild " - eller varme -" til at udføre arbejde for os? "

Nu, Murch og kolleger har taget den mest menneskelige virksomhed ned til den immaterielle kvanteskala - ultralave temperaturer og mikroskopiske systemer - og opdaget, at, som i den makroskopiske verden, det er muligt at bruge information til at udtrække arbejde.

Der er en fangst, dog:Nogle oplysninger kan gå tabt i processen.

"Vi har eksperimentelt bekræftet forbindelsen mellem information i det klassiske tilfælde og kvantetal, "Sagde Murch, "og vi ser denne nye effekt af tab af information."

Resultaterne blev offentliggjort i 20. juli -udgaven af Fysisk gennemgangsbreve .

Det internationale team omfattede Eric Lutz fra University of Stuttgart; J. J. Alonzo fra Universitetet i Erlangen-Nürnberg; Alessandro Romito fra Lancaster University; og Mahdi Naghiloo, en forskerassistent i fysik ved Washington University.

At vi kan få energi fra oplysninger i makroskopisk skala blev mest berømt illustreret i et tankeeksperiment kendt som Maxwells Demon. "Dæmonen" præsiderer over en kasse fyldt med molekyler. Kassen er delt i to med en væg med en dør. Hvis dæmonen kender hastigheden og retningen for alle molekylerne, det kan åbne døren, når et hurtigt bevægeligt molekyle bevæger sig fra venstre halvdel af kassen til højre side, lade det passere. Det kan gøre det samme for langsomme partikler, der bevæger sig i den modsatte retning, åbner døren, når et langsomt bevægeligt molekyle nærmer sig fra højre, gik til venstre.

Efter et stykke tid, alle de hurtigt bevægelige molekyler er på højre side af kassen. Hurtigere bevægelse svarer til højere temperatur. På denne måde, dæmonen har skabt en temperaturubalance, hvor den ene side af kassen er varmere. Denne temperaturubalance kan omdannes til arbejde - at skubbe på et stempel som i en dampmaskine, for eksempel. Først syntes tankeeksperimentet at vise, at det var muligt at skabe en temperaturforskel uden at gøre noget arbejde, og da temperaturforskelle giver dig mulighed for at udtrække arbejde, man kunne bygge en maskine til evig bevægelse - en overtrædelse af termodynamikkens anden lov.

"Til sidst, videnskabsfolk indså, at der er noget om de oplysninger, som dæmonen har om molekylerne, "Murch sagde." Det har en fysisk kvalitet som varme og arbejde og energi. "

Hans team ønskede at vide, om det ville være muligt at bruge information til at udtrække arbejde på denne måde i en kvanteskala, også, men ikke ved at sortere hurtige og langsomme molekyler. Hvis en partikel er i en ophidset tilstand, de kunne udtrække arbejde ved at flytte det til en jordtilstand. (Hvis det var i grundtilstand, de ville ikke gøre noget og ville ikke bruge noget arbejde).

Men de ville vide, hvad der ville ske, hvis kvantepartiklerne var i en ophidset tilstand og en jordtilstand på samme tid, analogt med at være hurtig og langsom på samme tid. I kvantefysikken, dette er kendt som en superposition.

"Kan du få arbejde fra oplysninger om en superposition af energistater?" Spurgte Murch. "Det var det, vi ville finde ud af."

Der er et problem, selvom. På en kvanteskala, at få oplysninger om partikler kan være lidt ... vanskelig.

"Hver gang du måler systemet, det ændrer det system, "Sagde Murch. Og hvis de målte partiklen for at finde ud af, præcis i hvilken tilstand den var, det ville vende tilbage til en af ​​to stater:ophidset, eller jord.

Denne effekt kaldes quantum backaction. For at komme uden om det, når man ser på systemet, forskere (som var "dæmonerne") tog ikke lang tid, hårdt kig på deres partikel. I stedet, de tog det, der blev kaldt en "svag observation". Det påvirkede stadig superpositionens tilstand, men ikke nok til at flytte det hele vejen til en ophidset tilstand eller en jordtilstand; det var stadig i en superposition af energistater. Denne observation var nok, selvom, at tillade forskerne at spore med ret høj nøjagtighed, præcis hvilken superposition partiklen var i - og det er vigtigt, fordi måden, hvorpå arbejdet udtrækkes fra partiklen, afhænger af, hvilken superpositionstilstand det er i.

For at få oplysninger, selv ved hjælp af den svage observationsmetode, forskerne skulle stadig kigge på partiklen, hvilket betød, at de havde brug for lys. Så de sendte nogle fotoner ind, og observerede de fotoner, der kom tilbage.

"Men dæmonen savner nogle fotoner, "Sagde Murch." Det bliver kun omkring det halve. Den anden halvdel er tabt. "Men - og dette er nøglen - selvom forskerne ikke så den anden halvdel af fotoner, disse fotoner interagerede stadig med systemet, hvilket betyder, at de stadig havde en effekt på det. Forskerne havde ingen måde at vide, hvad den effekt var.

De tog en svag måling og fik nogle oplysninger, men på grund af kvante backaction, de kan ende med at vide mindre, end de gjorde før målingen. I balance, det er negative oplysninger.

Og det er underligt.

"Gør reglerne for termodynamik for en makroskopisk, klassiske verden stadig gælder, når vi taler om kvanteoverlejring? "spurgte Murch." Vi fandt ud af, at ja, de holder, bortset fra at der er denne mærkelige ting. Oplysningerne kan være negative.

"Jeg tror, ​​at denne forskning fremhæver, hvor svært det er at bygge en kvantecomputer, "Sagde Murch.

"For en normal computer, det bliver bare varmt, og vi skal afkøle det. I kvantecomputeren har du altid risiko for at miste information. "