Quantum Maxwells dæmon teleporterer entropi ud af en qubit

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, ETH Zürich, og Argonne National Laboratory, OS, har beskrevet en udvidet kvante Maxwells dæmon, en enhed, der lokalt overtræder termodynamikkens anden lov i et system placeret en til fem meter væk fra dæmonen. Enheden kunne finde applikationer i kvantecomputere og mikroskopiske køleskabe, der nedkøler bittesmå genstande med stor nøjagtighed. Forskningen blev offentliggjort 4. december i Fysisk gennemgang B .

Termodynamikkens anden lov siger, at i et isoleret system, entropi, graden af ​​lidelse eller tilfældighed, falder aldrig.

"Vores dæmon får en enhed kaldet en qubit til at gå over i en mere velordnet tilstand, " forklarede undersøgelsens hovedforfatter, Andrey Lebedev fra MIPT og ETH Zürich. "Vigtigt, Dæmonen ændrer ikke qubittens energi og handler over en afstand, der er enorm for kvantemekanikken."

Alle quantum Maxwells dæmoner beskrevet eller skabt indtil videre af forfatterne eller andre forskere har haft en meget begrænset række af handlinger - de befandt sig i nærheden af ​​det objekt, som de opererede på.

Fordi dæmonen skal "initialiseres, "eller forberedt, før hver interaktion med qubit, noget energi bliver uundgåeligt brugt på stedet for dæmonen. Det betyder, at globalt, den anden lov gælder stadig.

Dæmonisk 'renhed'

Undersøgelsen foreslår, at qubit skal implementeres som et superledende kunstigt atom, en mikroskopisk enhed som den, forskerne tidligere foreslog til brug som et kvantemagnetometer. En sådan qubit ville være lavet af tynde aluminiumsfilm aflejret på en siliciumchip. Grunden til at dette system kaldes et kunstigt atom er, at ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, det opfører sig som et atom med to basistilstande:jorden og de exciterede tilstande.

En qubit kan samtidigt udvise blandede "rene" og "urene" tilstande. Hvis en qubit er i en af ​​de to basistilstande, men det vides ikke med sikkerhed hvilken, dens tilstand omtales som "uren". Hvis det er tilfældet, en klassisk sandsynlighed for at finde det kunstige atom i en af ​​de to tilstande kan beregnes.

Imidlertid, ligesom et rigtigt atom, qubitten kan være i en kvantesuperposition af jorden og de exciterede tilstande. En kvantesuperposition er en speciel tilstand, der ikke kan reduceres til ingen af ​​basistilstandene. Denne såkaldte rene tilstand, som trodser den klassiske opfattelse af sandsynlighed, er forbundet med mere orden, og derfor mindre entropi. Det kan kun eksistere i en brøkdel af et sekund, før det degenererer tilbage til en uren tilstand.

Dæmonen beskrevet i papiret er en anden qubit, der er forbundet med den første med et koaksialkabel, der bærer mikrobølgesignaler. En konsekvens af Heisenberg-usikkerhedsprincippet er, at når den er forbundet med en transmissionsledning, qubits begynder at udveksle virtuelle fotoner, dele af mikrobølgestråling. Denne fotonudveksling gør det muligt for qubits at bytte deres tilstande.

Hvis en ren tilstand er kunstigt induceret i dæmonen, den kan derefter bytte tilstande med mål-qubit, at udstyre det med "renhed" til gengæld for en uren tilstand af samme energi. Ved at rense mål-qubitten, dens entropi er reduceret, men dens energi påvirkes ikke. Resultatet er, at dæmonen kanaliserer entropi væk fra et system, der er isoleret med hensyn til energi - nemlig, målet qubit. Dette resulterer i den tilsyneladende overtrædelse af den anden lov, hvis mål-qubit betragtes lokalt.

Quantum nanorkøleskab

At være i stand til at rense en mål-qubit over en makroskopisk afstand er vigtigt fra et praktisk synspunkt. I modsætning til den urene tilstand, den rene kan skiftes ind i jorden eller den exciterede tilstand på en forholdsvis ligetil og forudsigelig måde ved hjælp af et elektromagnetisk felt. Denne operation kan være nyttig i en kvantecomputer, hvis qubits skal skiftes til jordtilstand ved opsendelse. Det er vigtigt at gøre dette på afstand, da tilstedeværelsen af ​​en dæmon tæt på kvantecomputeren ville påvirke sidstnævnte på ugunstige måder.

En anden mulig anvendelse af dæmonen har at gøre med følgende:At skifte mål-qubitten til den rene og efterfølgende til grundtilstanden gør dets umiddelbare miljø lidt koldere. Dette gør det foreslåede system til et køleskab i nanostørrelse, der er i stand til at køle dele af molekyler med stor nøjagtighed.

"Et konventionelt køleskab køler hele sin volumen, mens qubit 'nanofridge' ville målrette et bestemt sted. Dette kan meget vel være mere effektivt i nogle tilfælde, " forklarede avisens medforfatter Gordey Lesovik, der leder MIPT's Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology. "For eksempel, du kunne implementere det, der er kendt som algoritmisk køling. Dette indebærer levering af koden for en primær, 'kvante'-program med et underprogram designet til at målafkøle specifikt de hotteste qubits.

"En yderligere drejning er, at med enhver 'varmemaskine, ' du kan køre det omvendt, at forvandle en varmemotor til et køleskab eller omvendt, " tilføjede fysikeren. "Dette giver os et meget selektivt varmelegeme, såvel. For at tænde den, vi ville skifte mål-qubit til exciteret snarere end grundtilstand, gør qubit'ens opholdssted varmere."

Denne afkølings- eller opvarmningscyklus kan køres gentagne gange, da mål-qubit'en bevarer sin rene tilstand i kort tid, hvorefter det går ind i den urene tilstand, forbruger eller udsender miljøets termiske energi. Med hver gentagelse, placeringen af ​​qubit bliver gradvist køligere eller varmere, henholdsvis.

Udover dæmonens rækkevidde, forfatterne har estimeret den maksimale temperatur på koaksialkablet, der løber mellem qubits. Over denne temperatur, systemets kvanteegenskaber går tabt, og dæmonen virker ikke længere. Selvom kabeltemperaturen ikke må overstige et par grader over det absolutte nulpunkt, dette er ikke desto mindre omkring 100 gange varmere end arbejdstemperaturen for qubits. Dette gør det betydeligt lettere at implementere den foreslåede opsætning eksperimentelt.

Holdet arbejder allerede på at implementere eksperimentet.