Brug af kvantemålinger til brændstof til en kølemotor

Forskere ved universitetet i Firenze og Istituto dei Sistemi Complessi, i Italien, har for nylig bevist, at kvantemålingernes invasivitet ikke altid er skadelig. I en undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , de viste, at denne invasive kvalitet faktisk kan udnyttes, ved hjælp af kvantemålinger til brændstof til en kølemotor.

Michele Campisi, en af ​​forskerne involveret i undersøgelsen, har studeret kvantefænomener i flere år. I sit seneste arbejde, han undersøgte, om kvantefænomener kan påvirke nanoskopiske apparaters termodynamik, såsom dem, der anvendes i kvantecomputere.

"De fleste kolleger på området så på sammenhæng og sammenfiltring, mens kun få kiggede på et andet på ægte kvantefænomen, dvs. kvantemåleprocessen, "Campisi fortalte Phys.org." Disse undersøgelser antydede, at du skal ledsage målinger med feedback -kontrol, som i Maxwells dæmon, for at udnytte deres potentiale. Jeg begyndte at tænke over det, og eureka - da kvantemålinger er meget invasive, de ledsages af energiudvekslinger, kan derfor bruges til at drive motorer uden at skulle foretage feedbackkontrol. "

Den anden termodynamiklov siger, at varme naturligt strømmer fra varme kroppe til kolde. Tidligere undersøgelser viste, at der er to måder at vende denne naturlige varmestrøm:ved hjælp af arbejde leveret af en ekstern, tidsafhængig drivkraft eller ved at implementere en Maxwell-dæmon, som styrer varmen via en feedback -kontrolsløjfe.

I deres undersøgelse, Campisi og hans kolleger viste, at der er, faktisk, en tredje metode til at vende varmestrømmen, som er baseret på kvantemekanik. Denne teknik indebærer brug af invasive kvantemålinger som et brændstof, der driver køling, uden nogen feedback -kontrol. Forskerne omtaler denne mekanisme som kvantemålingskøling (QMC).

"Den generelle matematiske ramme er standard kvantemekanik, men vi var nødt til at bruge en blanding af avancerede numeriske og analytiske metoder til at undersøge alle aspekter af kvantemålingskøling, "Lorenzo Buffoni, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "For eksempel, For at vurdere dens robusthed over for eksperimentel støj brugte vi omfattende Monte Carlo-prøveudtagning af det højdimensionale rum af mulige måleprojektorer, og brugte machine learning -teknikker til at analysere og visualisere dataene. "

Campisi og hans kolleger illustrerede QMC ved hjælp af en prototypisk totakts to-qubit motor. Denne motor interagerer med det måleudstyr, forskerne anvender, samt med to varmebeholdere indstillet til forskellige temperaturer.

"Vi påbegyndte også opgaven med at finde den optimale termodynamiske ydeevne ved hjælp af analytiske metoder, hvilket var meget udfordrende, "Andrea Sofanelli, en anden forsker, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi anvendte Birkhoff-sætning til at udtrykke den såkaldte overgangsmatrix (indeholdende alle relevante oplysninger om energiudvekslingerne i vores problem) i form af permutationer, hvilket forenklede problemet. Men vi forblev fast med det, indtil vi fandt en lidt kendt sætning om lineær algebra, der går tilbage til begyndelsen af ​​1990'erne, hvilket endelig førte til løsningen. "

Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli og deres kollega Paola Verrucchi demonstrerede, at kvantemålingernes invasivitet kan bruges til at drive en kølemotor via den QMC -mekanisme, de har rapporteret. QMC kræver ikke feedback -kontrol, men sammenfiltring skal være til stede i måleprojektorerne.

Forskerne beregnede sandsynligheden for, at QMC vil forekomme, når målegrundlaget er tilfældigt valgt. De fandt ud af, at denne sandsynlighed kan være meget stor i forhold til sandsynligheden for at udvinde energi (dvs. betjene varmemotoren), alligevel er den mindre end sandsynligheden for den mindst vigtige operation (dvs. dumping af varme i begge bade).

"At vise, at måling af et kvantesystem udført af to qubits kan frembringe af sig selv (dvs. uden feedback -kontrol) nyttige termodynamiske effekter repræsenterer sikkert det mest meningsfulde resultat af vores forskning, "Alessandro Cuccoli, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Dette følger af at se kvantemåleprocessen fra et bredere perspektiv, hvor både systemet og dets miljø, og energiudvekslingerne, der ledsager målingen, betragtes. "

Ifølge Cuccoli, den termiske motor med to quibits udviklet af forskerne kunne let konstrueres til at fungere som en køleenhed. Dette ville, blandt andet, gøre det muligt at integrere fremstilling af en kvantecomputers behandlingsenheder med hjælpeanordninger, der kan holde dem ved den krævede lave temperatur, da begge kan opnås ved hjælp af qubits.

"En yderligere indsigtsfuld observation er, at for at få nyttige termodynamiske effekter, måleprocessen skal involvere 'sammenfiltrede' tilstande, dvs. særligt kvantekorrelerede tilstande for de to qubits, og dermed afsløre den intime forbindelse mellem information og energiudvekslinger, "Tilføjede Cuccoli." At uddybe vores forståelse af et sådant forhold i nanoskopiske kvantemotorer er en af ​​de største udfordringer, der driver vores nuværende og fremtidige forskning inden for kvantetermodynamik. "

Undersøgelsen udført af Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli og Verrucchi introducerede en helt ny mekanisme, der kan vende den naturlige varmestrøm, griber ind i termodynamikkens anden lov, uden krav til feedbackkontrol. I fremtiden, deres fund kan have mange anvendelser, for eksempel, hjælper udviklingen af ​​enheder til afkøling af kvantecomputere.

Teamet af forskere, der er involveret i denne undersøgelse, er en del af et samarbejdeskonsortium, der involverer 12 forskningsgrupper i verdensklasse, herunder eksperimenter og teoretikere fra otte E.U. lande. De søger i øjeblikket de nødvendige ressourcer til at understøtte deres arbejde i de kommende år.

"Vi ser frem til at samarbejde med eksperimentelle grupper, der kan være interesserede i at bygge en fungerende kvantemålingskøler, "Campisi sagde." Den fulde forståelse og mestring af energien i kvantesystemer og enheder er presserende nødvendig, og opfordrer til en fælles international indsats for at fremskynde den teknologiske udvikling. "

© 2019 Science X Network