En to-qubit-motor drevet af sammenfiltring og lokale målinger

Forskere ved Institut Néel-CNRS, University of Saint Louis og University of Rochester realiserede for nylig en to-qubit-motor drevet af sammenfiltring og lokale målinger. Denne motors unikke design, beskrevet i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne åbne spændende muligheder for termodynamisk forskning og informere udviklingen af ​​nye kvanteteknologier.

"Vores papir er baseret på en meget enkel og dyb effekt af kvantemekanik:At måle et kvantesystem forstyrrer systemet, dvs. ændrer sin tilstand på en tilfældig måde, " Alexia Auffèves, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org . "Som en umiddelbar konsekvens, måleapparatet giver både energi og entropi til kvantesystemet, spiller en rolle, der ligner en varm kilde, der brænder en termisk motor. Den mærkbare forskel er, at her, brændstoffet er ikke termisk, men kvante."

Et par år siden, Auffèves og nogle af hendes kolleger ved Institut Néel-CNRS introducerede proof of concept for en måledrevet motor baseret på en enkelt qubit. Dette var det første af en række forslag, der afslørede det energiske modstykke til måleapparater.

Indtil nu, måleprocesser blev typisk modelleret ved hjælp af klassiske teoretiske tilgange. I deres nye avis, forskerne tog et modigt skridt fremad ved at åbne 'den sorte boks' af måleapparater og se på det fra et kvantefysisk perspektiv.

"Vi overvejede specifikt skabelsen af ​​kvantekorrelationer mellem det system, der skal måles, og en "kvantemåler, '" sagde Auffeves. "Vi sporede energi- og entropistrømmene langs denne proces, afsløring af målebrændstoffets mikroskopiske oprindelse. Dette var det vigtigste mål for vores arbejde."

I deres undersøgelse, Auffeves og hendes kolleger fokuserede således på såkaldte 'composite systems." Deres analyse førte i sidste ende til designet af en måledrevet motor baseret på sammenfiltrede qubits. Ud over lokale målinger, denne motor er drevet af et fysisk fænomen kendt som quantum entanglement. Sammenfiltring opstår, når et sæt partikler interagerer eller forbliver forbundet, således at handlingerne udført af den ene påvirker den anden, selvom der er en betydelig afstand imellem dem.

Den nye motor foreslået af forskerne har to qubits. En qubit er et kvantesystem med to energitilstande:grundtilstanden |0> og den exciterede tilstand |1> ,

"Når en qubit måles i |1> , man kan deterministisk udtrække et kvantum af energi fra det, døbt en foton, " sagde Auffèves. "Når fotonen frigives, qubitten er tilbage til |0> ved energibesparelse. Henholdsvis, når qubit er i |0> , man kan give én foton til at excitere den i |1> stat."

Auffèves og hendes kolleger legede med to qubits i forskellige farver:en rød og en blå. Den røde qubit udveksler røde fotoner, mens den blå udveksler blå fotoner. Især den røde qubit bærer mindre energi end den blå qubit.

Protokollen brugt af forskerne giver i første omgang en rød foton til den røde qubit, forberedelse |1 _-en > mens den blå qubit er |0 _b > . Efterfølgende qubits interagerer ved at udveksle fotoner med hinanden, bliver viklet ind.

"Vi målte derefter den blå qubit, " sagde Auffeves. "Hvis det er målt i |0 _b > vi er tilbage til den oprindelige tilstand, og processen genstarter. Hvis det måles i |1 _b > en blå foton kan udvindes. Da blå fotoner er mere energiske end røde, man får i gennemsnit energi ud af processen. Som vi viser og analyserer, denne energi kommer fra måleapparatet."

Den måledrevne motor foreslået af Auffèves og hendes kolleger er afhængig af et sammensat arbejdsstof, og sammenfiltring spiller en afgørende rolle i dens brændstofmekanisme. Forskerne var i stand til at udføre en kvantitativ vurdering af de to fysiske ressourcer, som kvantemålinger medførte, nemlig information og brændstof. Ud over, de undersøgte virkningerne af disse ressourcer på motorens ydeevne.

"Vores resultater giver ny indsigt i de grundlæggende energimæssige ressourcer, der er i spil, når et kvantesystem måles, eller tilsvarende, når der skabes kvantekorrelationer mellem et kvantesystem og en kvantemåler, " sagde Auffèves. "Oprindeligt, disse resultater er gyldige i fravær af en veldefineret temperatur, da den eneste overvejede kilde til støj er selve målingen."

Auffèves og hendes kolleger var blandt de første, der udvidede måledrevne motorer til at omfatte sammensatte arbejdsstoffer og til at tilbyde en mikroskopisk fortolkning af brændstofmekanismen. Deres resultater kunne hjælpe med at udvide begreber relateret til termodynamik til kvantekilder til støj, såsom dem, der kan dukke op inde i en kryostat.

I fremtiden, forskernes arbejde kunne inspirere andre hold til at realisere lignende motorer. Ud over, deres undersøgelse kunne åbne et helt nyt forskningsfelt, som de foreslår kunne kaldes "kvanteenergi".

"Vores resultater kaster nyt lys over målepostulatet i kvantemekanik, " sagde Auffèves. "Da denne mekanisme stadig nærer grundlæggende debatter, man kan håbe, at kvanteenergetik giver nye målbare størrelser til at skelne mellem de forskellige fortolkninger af kvantemekanikken. På en mere anvendt side, de energiske fodspor fra kvantemåling og sammenfiltring vil have en indvirkning på energiomkostningerne ved kvanteteknologier og deres potentiale for skalerbarhed."

© 2021 Science X Network