Har du någonsin testat att tina upp din middag genom att stoppa den i den ena identiska frysen efter den andra? Hur konstigt det än låter, färska studier av obestämd kausal ordning – där olika ordningsföljder av händelser är kvantöverlagrade – tyder på att detta faktiskt skulle kunna fungera för kvantsystem. Forskare vid University of Oxford visar hur fenomenet kan användas i en typ av kvantkylning.

Resultaten följer rapporter om effekterna av obestämd kausal ordning i kvantberäkning och kvantkommunikation. "Folk frågade - är kvantkretsmodellen en fullständig beskrivning av varje möjlig kvantordning av händelser?" förklarar David Felce, en Ph.D. student vid University of Oxford, som han beskriver hur forskning om obestämd kausal ordning har vuxit fram under de senaste 10 åren.

Att undersöka denna fråga ledde till studier av tillstånd som passerar genom depolariserande kanaler där ett väldefinierat initialtillstånd hamnar i ett totalt slumpmässigt tillstånd. Ingen meningsfull informationsöverföring är möjlig genom en depolariserande kanal, men saker och ting förändras när kvanttillståndet förs genom den ena depolarisationskanalen efter den andra i en obestämd kausal ordning. Då är ordningen på kanalerna i en superposition, och intrasslad med en kontroll-qubit, som är i en superposition av olika tillstånd. Forskare har funnit att när ett tillstånd passerar genom två depolariserande kanaler i en obestämd kausal ordning, en viss mängd information överförs om kontrollkvbiten också kan mätas.

"Termalisering är ganska lik depolarisering, " förklarar Felce, förklara att istället för att ge dig ett helt slumpmässigt tillstånd, termalisering ger dig ett tillstånd som mestadels är slumpmässigt med en högre eller lägre chans att vara i det högre eller lägre energitillståndet beroende på temperaturen. "Jag trodde, om du termaliserar något två gånger i en obestämd orsaksordning, då kommer du inte att få det temperaturtillstånd som du kan förvänta dig." Oväntade temperaturresultat från termalisering kan vara termodynamiskt användbara, han lägger till.

Felce och University of Oxford professor i informationsvetenskap Vlatko Vedral analyserade uttryck för en termaliserande kanal som beskrivs i liknande termer som en depolariserande kanal och övervägde effekterna av obestämd kausal ordning. Bland de "konstiga" effekter de fann var möjligheten att termalisera ett kvanttillstånd med två termiska reservoarer vid samma temperatur med obestämd kausal ordning och sluta med tillståndet i en annan temperatur. Forskarna föreslår en kylcykel med detta som första steg. Nästa, det skulle vara nödvändigt att mäta kontrollkvantbiten för att ta reda på om temperaturen i det termiserade kvanttillståndet har höjts eller inte. Om det har, genom att sedan termalisera samma tillstånd klassiskt med en varm reservoar (steg två), sedan kan en kall reservoar (steg tre) kyla den kalla reservoaren eftersom värmen som överförs från tillståndet tillbaka till den kalla reservoaren skulle vara mindre än den som överförs av de kalla reservoarerna till staten i steg ett.

Vid ett ögonkast, detta kan tyckas strida mot termodynamikens lagar. Ett vanligt kylskåp fungerar eftersom det är anslutet till elnätet eller någon annan energikälla, så vad ger energin för den obestämda kausala ordningens kvantkylning? Felce förklarar att detta kan beskrivas på samma sätt som Maxwells demon passar in i termodynamikens lagar.

Maxwell hade antagit en hypotes att en demon som övervakar dörren till en skiljevägg i en låda med partiklar kunde mäta temperaturen på partiklar och öppna och stänga dörren för att sortera de kalla och varma partiklarna i separata skiljeväggar i lådan, minskar systemets entropi. Enligt termodynamikens lagar, entropin bör alltid öka i frånvaro av utfört arbete. Forskare har sedan dess förklarat den uppenbara inkonsekvensen genom att markera att demonen mäter partiklarna, och att informationen som lagras om deras uppmätta temperaturer kommer att kräva en viss mängd energi för att radera - Landauers raderingsenergi.

Felce påpekar att precis som Maxwells demon, i varje cykel av quantum kylskåpet, det är nödvändigt att göra en mätning på kontroll-qubiten för att veta vilken ordning saker hände. "När du har lagrat denna väsentligen slumpmässiga information på din hårddisk, om du vill återställa hårddisken till dess ursprungliga tillstånd, då kommer du att behöva energi för att radera hårddisken, " säger han. "Så du kan tänka dig att mata kylskåpet med tomma hårddiskar, istället för el, att springa."

Nästa, Felce planerar att undersöka sätt att implementera kylskåpet med obestämd kausal ordning. Än så länge, experimentella implementeringar av obestämda kausala ordningar har använt kontrollqubits i en överlagring av polarisationstillstånd. En polarisationsberoende stråldelare skulle sedan skicka en foton genom en krets i en annan riktning beroende på polarisationen, så att en superposition av polarisationstillstånd leder till en superposition i den ordning i vilken fotonen passerar genom kretselementen. Felce är också intresserad av att undersöka att generalisera resultaten till fler reservoarer.

© 2020 Science X Network