Forskare vid universitetet i Florens och Istituto dei Sistemi Complessi, i Italien, har nyligen visat att invasiviteten hos kvantmätningar kanske inte alltid är skadlig. I en studie publicerad i Fysiska granskningsbrev , de visade att denna invasiva kvalitet faktiskt kan utnyttjas, använder kvantmätningar för att driva en kylmotor.

Michele Campisi, en av forskarna som deltar i studien, har studerat kvantfenomen i flera år. I hans senaste arbete, han undersökte om kvantfenomen kan påverka termodynamiken hos nanoskopiska enheter, som de som används i kvantdatorer.

"De flesta kollegor på området tittade på sammanhang och intrassling medan bara få tittade på ett annat på äkta kvantefenomen, d.v.s. kvantmätningsprocessen, "Campisi berättade för Phys.org." Dessa studier föreslog att du måste följa mätningar med feedbackkontroll, som i Maxwells demon, för att utnyttja deras potential. Jag började tänka på det, och eureka - eftersom kvantmätningar är mycket invasiva, de åtföljs av energiutbyten, kan därför användas för att driva motorer utan att behöva göra feedbackkontroll. "

Termodynamikens andra lag säger att värme naturligt strömmar från heta kroppar till kalla. Tidigare studier visade att det finns två sätt att vända detta naturliga värmeflöde:med hjälp av arbete som tillhandahålls av en extern, tidsberoende drivkraft eller genom att implementera en Maxwell-demon, som styr värmen via en återkopplingsstyrslinga.

I deras studie, Campisi och hans kollegor visade att det finns, faktiskt, en tredje metod för att vända värmeflödet, som bygger på kvantmekanik. Denna teknik innebär användning av invasiva kvantmätningar som bränsle som driver kylning, utan återkopplingskontroll. Forskarna hänvisar till denna mekanism som kvantmätningskylning (QMC).

"Det allmänna matematiska ramverket är standardkvantmekanik, men vi var tvungna att använda en blandning av avancerade numeriska och analytiska metoder för att undersöka alla aspekter av kvantmätningskylning, "Lorenzo Buffoni, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Till exempel, För att bedöma dess robusthet mot experimentellt buller använde vi omfattande Monte Carlo-provtagning av det högdimensionella utrymmet för möjliga mätprojektorer, och använde maskininlärningstekniker för att analysera och visualisera data. "

Campisi och hans kollegor illustrerade QMC med hjälp av en prototypisk två-takts två-qubit motor. Denna motor interagerar med mätapparaten som används av forskarna, samt med två värmebehållare inställda på olika temperaturer.

"Vi påbörjade också uppgiften att hitta den optimala termodynamiska prestandan med analytiska metoder, vilket var mycket utmanande, "Andrea Sofanelli, en annan forskare som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vi använde Birkhoff-satsen för att uttrycka den så kallade övergångsmatrisen (som innehåller all relevant information om energiutbyten i vårt problem) när det gäller permutationer, vilket förenklade problemet. Men vi höll fast vid det tills vi hittade ett lite känt teorem om linjär algebra som går tillbaka till början av 1990-talet, vilket slutligen ledde till lösningen. "

Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli och deras kollega Paola Verrucchi visade att kvantmätningarnas invasivitet kan användas för att driva en kylmotor via QMC -mekanismen som de har rapporterat. QMC kräver inte återkopplingskontroll, men trassel måste finnas i mätprojektorerna.

Forskarna beräknade sannolikheten för att QMC kommer att inträffa när mätunderlaget väljs slumpmässigt. De fann att denna sannolikhet kan vara mycket stor jämfört med sannolikheten för att utvinna energi (dvs. att använda värmemotorn), Ändå är den mindre än sannolikheten för den minst viktiga operationen (dvs dumpning av värme i båda baden).

"Visar att mätning av ett kvantsystem som görs av två qubits kan producera användbara termodynamiska effekter av sig själv (dvs. utan återkopplingskontroll) säkerligen representerar det mest meningsfulla resultatet av vår forskning, "Alessandro Cuccoli, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Detta följer av att titta på kvantmätningsprocessen från ett vidare perspektiv, där både systemet och dess miljö, och energiutbyten som följer med mätningen, anses."

Enligt Cuccoli, den två-quibits termiska motorn som utvecklats av forskarna kan enkelt konstrueras för att fungera som en kylanordning. Detta skulle, bland annat, göra det möjligt att integrera tillverkningen av en kvantdatorens processorenheter med hjälpanordningar som kan hålla dem vid den nödvändiga låga temperaturen, eftersom båda kan uppnås med hjälp av qubits.

"En ytterligare insiktsfull observation är att för att få användbara termodynamiska effekter, mätprocessen måste inbegripa "intrasslade" tillstånd, dvs märkligt kvantkorrelerade tillstånd för de två qubiterna, därmed avslöjas det intima sambandet mellan information och energiutbyte, "Cuccoli tillade." Fördjupning av vår förståelse för ett sådant förhållande i nanoskopiska kvantmotorer är en av de stora utmaningarna som driver vår nuvarande och framtida forskning inom kvanttermodynamik. "

Studien genomförd av Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli och Verrucchi introducerade en helt ny mekanism som kan vända det naturliga värmeflödet, ingripande med termodynamikens andra lag, utan krav på återkopplingskontroll. I framtiden, deras resultat kan ha många tillämpningar, till exempel, hjälpa utvecklingen av enheter för att kyla kvantdatorer.

Teamet av forskare som deltar i denna studie är en del av ett samarbeteskonsortium som omfattar 12 forskargrupper i världsklass, inklusive experimenter och teoretiker från åtta E.U. länder. De söker för närvarande de resurser som behövs för att stödja deras arbete under de kommande åren.

"Vi ser fram emot att samarbeta med experimentella grupper som kan vara intresserade av att bygga en fungerande kvantmätningskylare, "Campisi sa." Fullständig förståelse och behärskning av energin i kvantsystem och enheter är brådskande nödvändig, och efterlyser en gemensam internationell insats för att påskynda den tekniska utvecklingen. "

© 2019 Science X Network