Forskare vid Institut Néel-CNRS, University of Saint Louis och University of Rochester realiserade nyligen en två-qubit-motor som drivs av intrassling och lokala mätningar. Denna motors unika design, beskrivs i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , kan öppna upp spännande möjligheter för termodynamisk forskning och informera utvecklingen av nya kvantteknologier.

"Vårt papper är baserat på en mycket enkel och djup effekt av kvantmekaniken:Att mäta ett kvantsystem stör systemet, dvs. ändrar sitt tillstånd på ett slumpmässigt sätt, " Alexia Auffèves, en av forskarna som genomförde studien, berättade Phys.org . "Som en omedelbar konsekvens, mätanordningen ger både energi och entropi till kvantsystemet, spelar en roll som liknar en het källa som driver en termisk motor. Den märkbara skillnaden är att här, bränslet är inte termiskt, men kvant."

Några år sedan, Auffèves och några av hennes kollegor vid Institut Néel-CNRS introducerade proof of concept för en mätdriven motor baserad på en enda qubit. Detta var det första av en rad förslag som avslöjade den energiska motsvarigheten till mätinstrument.

Än så länge, Mätprocesser modellerades vanligtvis med klassiska teoretiska metoder. I deras nya tidning, forskarna tog ett djärvt steg framåt genom att öppna "den svarta lådan" av mätinstrument och titta på det ur ett kvantfysiskt perspektiv.

"Vi övervägde specifikt skapandet av kvantkorrelationer mellan systemet att mäta och en "kvantmätare, "" sa Auffeves. "Vi spårade energi- och entropiflödena längs denna process, avslöja det mikroskopiska ursprunget för mätbränslet. Detta var det viktigaste målet för vårt arbete."

I deras studie, Auffeves och hennes kollegor fokuserade alltså på så kallade "kompositsystem." Deras analys ledde slutligen till designen av en mätdriven motor baserad på intrasslade qubits. Förutom lokala mätningar, denna motor drivs av ett fysiskt fenomen som kallas kvantintrassling. Entanglement inträffar när en uppsättning partiklar interagerar eller förblir sammankopplade så att de åtgärder som utförs av den ena påverkar den andra, även om det är ett betydande avstånd mellan dem.

Den nya motorn som forskarna föreslagit har två qubits. En qubit är ett kvantsystem med två energitillstånd:grundtillståndet |0> och det exciterade tillståndet |1> ,

"När en qubit mäts i |1> , man kan deterministiskt extrahera ett kvantum av energi från det, dubbade en foton, " sa Auffèves. "När fotonen släpps, qubiten är tillbaka till |0> genom energibesparing. Respektive, när qubit är i |0> , man kan tillhandahålla en foton för att excitera den i |1> stat."

Auffèves och hennes kollegor lekte med två qubits i olika färger:en röd och en blå. Den röda qubiten utbyter röda fotoner, medan den blå byter ut blå fotoner. I synnerhet, den röda qubiten bär mindre energi än den blå qubiten.

Protokollet som används av forskarna ger initialt en röd foton till den röda qubiten, förbereder |1 _a > medan den blå qubiten är |0 _b > . Senare, qubits interagerar genom att byta fotoner med varandra, trassla in sig.

"Vi mätte sedan den blå qubiten, " sa Auffeves. "Om det mäts i |0 _b > vi är tillbaka till det ursprungliga tillståndet, och processen startar om. Om det mäts i |1 _b > en blå foton kan extraheras. Eftersom blå fotoner är mer energiska än röda, man får energi av processen i genomsnitt. När vi visar och analyserar, denna energi kommer från mätanordningen."

Den mätdrivna motorn som föreslagits av Auffèves och hennes kollegor är beroende av en sammansatt arbetssubstans, och intrassling spelar en avgörande roll i dess bränslemekanism. Forskarna kunde göra en kvantitativ bedömning av de två fysiska resurserna som kvantmätningen medför, nämligen information och bränsle. Dessutom, de undersökte effekterna av dessa resurser på motorns prestanda.

"Våra resultat ger nya insikter om de grundläggande energiresurser som är i spel när ett kvantsystem mäts, eller motsvarande, när kvantkorrelationer skapas mellan ett kvantsystem och en kvantmeter, " sa Auffèves. "Ursprungligen, dessa resultat är giltiga i frånvaro av en väldefinierad temperatur eftersom den enda källan till buller som anses vara själva mätningen."

Auffèves och hennes kollegor var bland de första som utvidgade mätdrivna motorer till att omfatta sammansatta arbetsämnen och att erbjuda en mikroskopisk tolkning av bränslemekanismen. Deras resultat kan hjälpa till att utvidga begrepp relaterade till termodynamik till kvantkällor för brus, som de som kan dyka upp inuti en kryostat.

I framtiden, forskarnas arbete skulle kunna inspirera andra team att realisera liknande motorer. Dessutom, deras studie kan öppna upp ett helt nytt forskningsfält, som de föreslår skulle kunna kallas "kvantenergi".

"Våra resultat kastar nytt ljus över mätpostulatet inom kvantmekaniken, ", sa Auffèves. "Eftersom denna mekanism fortfarande matar grundläggande debatter, man kan hoppas att kvantenergetik ger nya mätbara storheter för att skilja mellan de olika tolkningarna av kvantmekaniken. På en mer tillämpad sida, de energiska fotavtrycken av kvantmätning och intrassling kommer att ha en inverkan på energikostnaden för kvantteknologier och deras potential för skalbarhet."

© 2021 Science X Network