Minska entropi i en slumpmässigt halvfylld 5x5x5 gitter av atomer. Varje rad visar en ögonblicksbild av de 5 planen i gallret. Den översta raden visar den initiala slumpmässiga fördelningen av atomer bland 3D -arrayen med 125 möjliga platser. Den andra raden visar fördelningen av atomer efter den första sorteringen och den tredje raden visar fördelningen efter den andra sorteringen, vid vilken punkt målet 5x5x2 undergaller är helt fylld. Denna process minskar entropin i systemet med en faktor på cirka 2,4. Upphovsman:Weiss Laboratory, Penn State
Minskad entropi i ett tredimensionellt galler av superkyld, laser-fångade atomer kan hjälpa till att påskynda framstegen mot att skapa kvantdatorer. Ett team av forskare vid Penn State kan ordna om en slumpmässigt fördelad uppsättning atomer till snyggt organiserade block, och därmed fungera som en "Maxwells demon" - ett tankeexperiment från 1870 -talet som utmanade termodynamikens andra lag. De organiserade blocken av atomer kan utgöra grunden för en kvantdator som använder oladdade atomer för att koda data och utföra beräkningar. Ett papper som beskriver forskningen visas 6 september, 2018 i tidningen Natur .
"Traditionella datorer använder transistorer för att koda data som bitar som kan vara i ett av två tillstånd - noll eller ett, "sa David Weiss, professor i fysik vid Penn State och ledare för forskargruppen. "Vi utvecklar kvantdatorer som använder atomer som" kvantbitar "eller" qubits "som kan koda data baserat på kvantmekaniska fenomen som gör att de kan befinna sig i flera tillstånd samtidigt. Genom att organisera atomerna till ett packat 3D-nät kan vi passar in många atomer i ett litet område och gör beräkningen enklare och mer effektiv. "
Termodynamikens andra lag säger att entropin - ibland betraktad som störning - av ett system inte kan minska med tiden. En av konsekvenserna av denna lag är att den utesluter möjligheten till en enhet för evig rörelse. Omkring 1870, James Clerk Maxwell föreslog ett tankeexperiment där en demon kunde öppna och stänga en grind mellan två kamrar med gas, så att varmare atomer kan passera i ena riktningen och svalare atomer att passera i den andra. Denna sortering, som inte krävde någon energitillförsel, skulle resultera i en minskning av entropin i systemet och en temperaturskillnad mellan de två kamrarna som kan användas som en värmepump för att utföra arbete, bryter alltså mot den andra lagen.
"Senare arbete har visat att demonen faktiskt inte bryter mot den andra lagen och därefter har det varit många försök att utforma experimentella system som beter sig som demonen, "sa Weiss." Det har blivit några framgångar på mycket små skalor, men vi har skapat ett system där vi kan manipulera ett stort antal atomer, organisera dem på ett sätt som minskar systemets entropi, precis som demonen. "
Forskarna använder lasrar för att fånga och kyla atomer i ett tredimensionellt galler med 125 positioner arrangerade som en 5 x 5 x 5 kub. De fyller sedan slumpmässigt ungefär hälften av positionerna i gallret med atomer. Genom att justera polariseringen av laserfällorna, forskarna kan flytta atomer individuellt eller i grupper, omorganisera de slumpmässigt fördelade atomerna för att helt fylla antingen 5 gånger 5 gånger 2 eller 4 gånger 4 gånger 3 delmängder av gallret.
"Eftersom atomerna kyls till nästan så låg temperatur som möjligt, systemets entropi är nästan helt definierad av den slumpmässiga konfigurationen av atomerna i gallret, "sa Weiss." I system där atomerna inte är superkylda, atomernas vibrationer utgör majoriteten av systemets entropi. I ett sådant system, att organisera atomerna förändrar entropin lite, men i vårt experiment, vi visar att organisering av atomerna sänker entropin i systemet med en faktor på cirka 2,4. "
