Kvantevarmemotoradfærd observeret i en qubit

Selvom mange af nutidens accepterede teorier om klassisk termodynamik går forud for selv den industrielle revolution, var de med til at drive frem, Der er stadig mange åbne spørgsmål om, hvordan disse ideer oversættes til niveauet af enkelte kvantesystemer. I særdeleshed, potentialet for overlejring af stater har endnu uudforskede konsekvenser for termodynamisk adfærd. Nu, et samarbejde mellem forskere i Japan, Ukraine og USA har produceret en kvanteanordning, der ikke kun kan opføre sig analogt med en varmemotor og et køleskab, men også en superposition af begge på samme tid.

Keiji Ono, Sergey Shevchenko og Franco Nori – som deler en tilknytning til RIKEN i Japan, blandt deres andre institutioner, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering og University of Michigan - havde alle arbejdet med qubits i forskellige afskygninger. De kom sammen for at undersøge opførselen af ​​qubits baseret på urenheder i silicium til kvanteinterferometri, før de vendte deres opmærksomhed mod, hvordan disse systemers opførsel kan ligne klassiske varmemotorer.

Eksperimentelle udfordringer

At udforske termodynamik på kvanteniveau åbner nogle spændende muligheder. "Et af de emner, der diskuteres på dette felt, er muligheden for kvantevarmemotorer for at overvinde effektiviteten af ​​klassiske, " Shevchenko foreslår som et eksempel. det er ikke uden sine udfordringer, hvilket betyder, at de fleste undersøgelser hidtil har været rent teoretiske. Blandt andre egenskaber, til kvanteteknik, det er vigtigt at have qubits, der er "hot, tæt, og sammenhængende, " fortæller Shevchenko til Phys.org. Her, "hot" betyder at arbejde i få-Kelvin-regimet, hvilken, mens det stadig er ret frostigt, er mindre teknologisk udfordrende end systemer, der kræver nedkøling til millikelvin. Afvejningen er, at sådanne varme systemer er sværere at beskrive og kontrollere, men her, forskerne var i stand til at udnytte deres rigdom af ekspertise med siliciumbaserede qubits.

Ono, Shevchenko og Nori og deres samarbejdspartnere baserede deres kvantetermodynamiske undersøgelser på en tunnelfelt-effekt-transistor fremstillet af tæt implanterede urenheder i silicium. Under kildeforstærkningsspændinger, transport over deres enhed er domineret af tunnel mellem en urenhed nær overfladen (lavvandet) og en i nærheden, men dybere inde i materialet, skabe en enhed på to energiniveauer. Enhedens elektrontransportadfærd giver anledning til interessante spin-egenskaber, i særdeleshed, en elektronspinresonans, hvor source-drain-strømmen topper for specifikke påførte AC- og DC-magnetiske felter. Fra denne resonanstop, de var i stand til at udtrække to karakteristiske tidsskalaer, der afspejler levetiden for den exciterede tilstand på urenheden og dens dekohærens tid. Dekohærenstiden definerer, hvor længe en bestemt faserelation bevares mellem dens bølgefunktion og andre, som tillader superposition og interferens.

Ud over at være i stand til at drive enheden med gate-spændingen for at udfylde de to energiniveauer, forskerne kunne også justere afstanden mellem energiniveauerne ved at modulere frekvensen og amplituden af ​​magnetfelterne. Som resultat, afhængigt af om systemet blev drevet til den spændte tilstand, når afstanden var stor og afslappet, når den var mindre eller omvendt, det ville fungere analogt med en Otto varmemotor eller køleskab. De interessante kvanteeffekter opstår, når afslapningsperioden og perioden for drivspændingen begynder at falde sammen. På dette tidspunkt, de viser, at enhedens funktion kan være i en superposition af både en motor- og en køleskabstilstand. Teoretiske beregninger af excitationssandsynligheden matchede de målte spidsstrømme perfekt.

Grænser og fremtidige udviklinger

Der er nogle forskelle mellem driften af ​​deres kvanteenhed og en klassisk varmemotor eller køleskab. I særdeleshed, der er ingen varmebade, selvom deres enhed er forbundet til højere og lavere spændingsledninger, fungerer som elektriske analoger af varmebade. Ikke desto mindre, Shevchenko siger, "Det er overraskende at overveje den nye mulighed for at have en kvantesuperposition af en lille motor og et lille køleskab."

Mens den første til at erkende, at i det makroskopiske eller klassiske tilfælde, en sådan enhed ville ikke opfylde mange praktiske krav, forskerne håber, at det for kvanteobjekter kan introducere nye funktionaliteter, der ikke kun er interessante, men også nyttige. Som et andet eksempel, Shevchenko citerer laseren, som blev opfundet længe før de nu allestedsnærværende anvendelser blev tydelige. "Vi mener, at vores resultater er videnskabeligt interessante, " siger Shevchenko til Phys.org. "For øjeblikket, vi udforsker dens grundlæggende fysik, og [mener], at de mulige anvendelser ikke er klare på nuværende tidspunkt. Dette sker ofte i videnskaben."

© 2020 Science X Network