Fysikere implementerer en version af Maxwells berømte tankeeksperiment for at reducere entropi

Reduceret entropi i et tredimensionelt gitter af superkølet, laser-fangede atomer kan hjælpe med at fremskynde fremskridt mod oprettelse af kvantecomputere. Et team af forskere ved Penn State kan omarrangere et tilfældigt fordelt array af atomer i pænt organiserede blokke, således udfører funktionen som en "Maxwells dæmon" - et tankeeksperiment fra 1870'erne, der udfordrede termodynamikkens anden lov. De organiserede blokke af atomer kunne danne grundlag for en kvantecomputer, der bruger uladede atomer til at kode data og udføre beregninger. Et papir, der beskriver forskningen, udkommer den 6. september, 2018 i journalen Natur .

"Traditionelle computere bruger transistorer til at kode data som bits, der kan være i en af ​​to tilstande - nul eller en, " sagde David Weiss, professor i fysik ved Penn State og leder af forskerholdet. "Vi udtænker kvantecomputere, der bruger atomer som 'kvantebits' eller 'qubits', der kan kode data baseret på kvantemekaniske fænomener, der gør det muligt for dem at være i flere tilstande samtidigt. At organisere atomerne i et pakket 3D-gitter giver os mulighed for at passer mange atomer ind i et lille område og gør beregning lettere og mere effektiv. "

Termodynamikkens anden lov siger, at entropien - nogle gange opfattet som uorden - af et system ikke kan falde over tid. En af konsekvenserne af denne lov er, at den udelukker muligheden for en evig bevægelsesenhed. Omkring 1870, James Clerk Maxwell foreslog et tankeeksperiment, hvor en dæmon kunne åbne og lukke en port mellem to kamre med gas, lader varmere atomer passere i den ene retning og køligere atomer passere i den anden. Denne sortering, som ikke krævede energiindgang, ville resultere i en reduktion af entropi i systemet og en temperaturforskel mellem de to kamre, der kunne bruges som en varmepumpe til at udføre arbejde, dermed overtræder den anden lov.

"Senere arbejde har vist, at dæmonen faktisk ikke overtræder den anden lov, og efterfølgende har der været mange forsøg på at udtænke eksperimentelle systemer, der opfører sig som dæmonen, "sagde Weiss." Der har været nogle succeser på meget små skalaer, men vi har skabt et system, hvor vi kan manipulere et stort antal atomer, organisere dem på en måde, der reducerer systemets entropi, ligesom dæmonen. "

Forskerne bruger lasere til at fange og afkøle atomer i et tredimensionelt gitter med 125 positioner arrangeret som en 5 gange 5 gange 5 terning. De udfylder derefter tilfældigt omkring halvdelen af ​​positionerne i gitteret med atomer. Ved at justere polariseringen af ​​laserfælderne, forskerne kan flytte atomer individuelt eller i grupper, reorganisering af de tilfældigt fordelte atomer til fuldt ud at fylde enten 5 x 5 x 2 eller 4 x 4 x 3 delmængder af gitteret.

"Fordi atomerne afkøles til næsten så lav temperatur som muligt, systemets entropi er næsten fuldstændigt defineret af den tilfældige konfiguration af atomerne i gitteret, " sagde Weiss. "I systemer, hvor atomerne ikke er superafkølede, atomernes vibration udgør størstedelen af ​​systemets entropi. I et sådant system, organisering af atomerne ændrer lidt på entropien, men i vores eksperiment, vi viser, at organisering af atomerne sænker entropien i systemet med en faktor på omkring 2,4. "