(Phys.org) - Under de senaste åren har fysiker har utvecklat kvantgenvägar som påskyndar driften av kvantsystem. Förvånande, några av dessa genvägar verkar teoretiskt sett möjliggöra för system att fungera nästan omedelbart utan att använda extra energi - ett klart brott mot termodynamikens andra lag. Även om fysiker har vetat att något är fel, Hittills har lösningen på denna knipa varit oklar.

Nu i en ny studie, fysiker har visat att kvantgenvägar är föremål för en avvägning mellan hastighet och kostnad, så att ett kvantsystem utvecklas snabbare, ju högre den energiska kostnaden för att genomföra genvägen. I enlighet med termodynamikens lagar, en oändligt snabb hastighet vore omöjligt eftersom det skulle kräva en oändlig mängd energi.

Fysikerna, Steve Campbell vid Queen's University Belfast i Storbritannien och University of Milan i Italien, tillsammans med Sebastian Deffner vid University of Maryland Baltimore County i USA, har publicerat ett papper om avvägningen mellan kostnad och hastighet i kvantgenvägar i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev .

"Några nyligen föreslagna metoder för att styra kvantsystem, kallade genvägar till adiabaticity (STA), verkar vara energiskt gratis, och ännu mer angående det fanns inget att säga att de inte kunde uppnås i försvinnande små tider, "Berättade Campbell Phys.org . "Att något inte var helt rätt fick oss att mer uttryckligen överväga vad som händer när dessa tekniker tillämpas."

Att göra detta, forskarna tillämpade kvantehastighetsgränsen - en grundläggande övre gräns för den hastighet med vilken ett kvantsystem kan fungera, som uppstår på grund av Heisenbergs osäkerhetsprincip. Eftersom kvantfartsgränsen är en följd av denna grundläggande princip, det måste gälla alla STA, och det borde därför förbjuda dem att arbeta inom godtyckligt korta tider.

"Genom att beräkna kvantfartsgränsen, vi visade att ju snabbare du vill manipulera ett system med en STA, ju högre termodynamisk kostnad, "Campbell." Dessutom, omedelbar manipulation är omöjlig eftersom det skulle kräva oändlig energi för att läggas in. "

Som forskarna förklarade, resultaten är inte särskilt förvånande, bara något som tog tid att ta reda på.

"Jag tror att detta är ett annat fall av" om något verkar för bra för att vara sant, det är vanligtvis, '"Sa Deffner." Det fanns nog en allmän känsla i samhället att man måste kvantifiera kostnaden. Vi var bara de första som löste det. "

För att visa nyttan av denna avvägning, fysikerna tillämpade det på två praktiska system. Den första är harmoniska oscillatorer, som har ett brett användningsområde, inklusive tester av kvanttermodynamik. Den andra är Landau-Zener-modellen, som har applikationer inom adiabatisk kvantberäkning, som används i D-Wave-maskinen.

I båda modellerna, avvägningen sätter praktiska gränser för den ultimata hastigheten på dessa system som STA erbjuder. Forskarna förväntar sig att dessa begränsningar kommer att hjälpa till att styra utformningen och implementeringen av dessa och andra kvantsystem i framtiden.

"Vi vill också titta på de andra teknikerna för STA som har utvecklats, och se om vi kan hitta liknande avvägningar, "Deffner sa." En annan viktig väg är att generalisera vårt arbete till icke-standardiserad kvantmekanik, t.ex. Dirac -material och olinjära system. "

© 2017 Phys.org