Forskare från Moskva institutet för fysik och teknik, ETH Zürich, och Argonne National Laboratory, USA, har beskrivit en förlängd kvant Maxwells demon, en enhet som lokalt bryter mot den andra lagen för termodynamik i ett system som ligger en till fem meter från demonen. Enheten kan hitta applikationer i kvantdatorer och mikroskopiska kylskåp som kyler ner små föremål med exakt noggrannhet. Forskningen publicerades 4 december Fysisk granskning B .

Termodynamikens andra lag säger att i ett isolerat system, entropi, graden av störning eller slumpmässighet, minskar aldrig.

"Vår demon får en enhet som kallas en qubit att övergå till ett mer ordnat tillstånd, "förklarade studiens huvudförfattare, Andrey Lebedev från MIPT och ETH Zürich. "Viktigt, demonen förändrar inte qubitens energi och agerar över ett avstånd som är enormt för kvantmekanik. "

Alla kvant Maxwells demoner som hittills beskrivits eller skapats av författarna eller andra forskare har haft ett mycket begränsat handlingsintervall - de var belägna nära objektet som de opererade på.

Eftersom demonen måste "initieras, "eller beredd, före varje interaktion med qubit, viss energi läggs oundvikligen på platsen för demonen. Det betyder att globalt sett den andra lagen gäller fortfarande.

Demonisk 'renhet'

Studien föreslår att qubit implementeras som en supraledande artificiell atom, en mikroskopisk enhet som den som forskarna tidigare föreslog att använda som kvantmagnetometer. En sådan qubit skulle vara gjord av tunna aluminiumfilmer deponerade på ett kiselchip. Anledningen till att detta system kallas en artificiell atom är att vid temperaturer nära absolut noll, den beter sig som en atom med två grundtillstånd:marken och de upphetsade tillstånden.

En qubit kan samtidigt uppvisa blandade "rena" och "orena" tillstånd. Om en qubit är i ett av de två grundtillstånden, men det är inte säkert känt vilket, dess tillstånd kallas "oren". Om så är fallet, en klassisk sannolikhet för att hitta den artificiella atomen i ett av de två tillstånden kan beräknas.

Dock, precis som en riktig atom, qubit kan vara i en kvantöverlagring av marken och de upphetsade tillstånden. En kvantsuperposition är ett speciellt tillstånd som kan reduceras till ingen av grundtillstånden. Detta så kallade rena tillstånd, som trotsar den klassiska sannolikhetsbegreppet, är förknippad med mer ordning, och därför mindre entropi. Det kan bara existera i en bråkdel av en sekund innan det urartar tillbaka till ett orent tillstånd.

Demonen som beskrivs i tidningen är en annan qubit ansluten till den första med en koaxialkabel som bär mikrovågssignaler. En konsekvens av Heisenbergs osäkerhetsprincip är att en gång ansluten med en överföringsledning, qubits börjar utbyta virtuella fotoner, delar av mikrovågsstrålning. Denna fotonutbyte gör det möjligt för qubits att byta tillstånd.

Om ett rent tillstånd artificiellt framkallas i demonen, det kan sedan byta tillstånd med målet qubit, att ge det "renhet" i utbyte mot ett orent tillstånd av samma energi. Genom att rena målet qubit, dess entropi reduceras men dess energi påverkas inte. Resultatet är att demonen kanaliserar entropi bort från ett system isolerat när det gäller energi - nämligen målet qubit. Detta resulterar i en uppenbar överträdelse av den andra lagen om målqubit beaktas lokalt.

Quantum nanoriskyl

Att kunna rena en målqubit över ett makroskopiskt avstånd är viktigt ur praktisk synvinkel. Till skillnad från det orena tillståndet, den rena kan växlas till marken eller det exciterade tillståndet på ett relativt enkelt och förutsägbart sätt med hjälp av ett elektromagnetiskt fält. Denna operation kan vara användbar i en kvantdator, vars qubits måste bytas till markläge vid lansering. Att göra detta på avstånd är viktigt, eftersom närvaron av en demon nära kvantdatorn skulle påverka den senare på ogynnsamma sätt.

En annan möjlig tillämpning av demonen har att göra med följande:Att byta målqubit till det rena och därefter till grundtillståndet gör dess närmaste miljö något kallare. Detta förvandlar det föreslagna systemet till ett nanoserat kylskåp som kan kyla delar av molekyler med exakt noggrannhet.

"Ett konventionellt kylskåp kyler hela sin volym, medan qubit 'nanofridge' skulle rikta sig till en viss plats. Det kan mycket väl vara mer effektivt i vissa fall, "förklarade tidningens medförfattare Gordey Lesovik, som leder MIPT:s Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology. "Till exempel, du kan implementera det som kallas algoritmisk kylning. Detta skulle innebära att koden till en primär, "kvantprogram" med ett delprogram som är utformat för att rikta in specifikt de hetaste qubiterna.

"En ytterligare vridning är att med alla värmemaskiner, 'du kan köra det omvänt, förvandla en värmemotor till ett kylskåp eller vice versa, "tillade fysikern." Detta landar oss med en mycket selektiv värmare, också. Att sätta på den, vi skulle byta målqubit till det upphetsade snarare än marktillståndet, vilket gör qubitens vistelseort varmare. "

Denna kyl- eller uppvärmningscykel kan köras upprepade gånger, eftersom målet qubit behåller sitt rena tillstånd under en kort tid, varefter det går in i det orena tillståndet, förbrukar eller avger miljöens termiska energi. Med varje iteration, platsen för qubiten blir gradvis svalare eller varmare, respektive.

Förutom demonens räckvidd, författarna har uppskattat den maximala temperaturen för koaxialkabeln som löper mellan qubiterna. Över denna temperatur, systemets kvantegenskaper går förlorade och demonen fungerar inte längre. Även om kabeltemperaturen inte får överstiga några grader över den absoluta nollan, detta är ändå ungefär 100 gånger varmare än arbetstemperaturen för qubiterna. Detta gör det betydligt enklare att genomföra den föreslagna installationen experimentellt.

Teamet arbetar redan med att genomföra experimentet.