Inom fysiken, det är viktigt att kunna visa ett teoretiskt antagande i verkligheten, fysiska experiment. I mer än hundra år, fysiker har varit medvetna om kopplingen mellan begreppen störning i ett system, och information erhållen genom mätning. Dock, en ren experimentell bedömning av denna länk i vanliga övervakade system, det är system som kontinuerligt mäts över tid, saknades hittills.

Men nu, med hjälp av en "kvanttrumma, "en vibrerande, mekaniskt membran, forskare vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, har insett ett experimentellt upplägg som visar det fysiska samspelet mellan störningen och resultaten av en mätning. Viktigast, dessa resultat gör det möjligt att extrahera ordning från det i stort sett störda systemet, tillhandahålla ett allmänt verktyg för att konstruera systemets tillstånd, avgörande för framtida kvantteknik, som kvantdatorer. Resultatet publiceras nu som ett redaktörers förslag i Fysiska granskningsbrev .

Mätningar kommer alltid att införa en störningsnivå för alla system det mäter. I det vanliga, fysisk värld, detta är vanligtvis inte relevant, eftersom det är fullt möjligt för oss att mäta, säga, längden på ett bord utan att märka den störningen. Men på kvantskalan, som rörelserna i membranen som används i Schliesser -labbet vid Niels Bohr -institutet, konsekvenserna av störningen som görs av mätningar är enorma. Dessa stora störningar ökar entropin, eller störning, av det underliggande systemet, och tydligen utesluter att extrahera någon ordning från mätningen. Men innan vi förklarar hur det senaste experimentet insåg detta, begreppen entropi och termodynamik behöver några ord.

Att bryta ett ägg är termodynamik

Termodynamiklagen omfattar extremt komplicerade processer. Det klassiska exemplet är att om ett ägg faller av ett bord, det går sönder på golvet. Vid kollisionen, värme produceras - bland många andra fysiska processer - och om du föreställer dig att du kan styra alla dessa komplicerade processer, det finns ingenting i de fysiska lagarna som säger att du inte kan vända processen. Med andra ord, ägget kan faktiskt sätta ihop sig själv och flyga upp till bordsytan igen, om vi kunde kontrollera beteendet hos varje atom, och vända processen. Det är teoretiskt möjligt.

Du kan också tänka på ett ägg som ett beställt system, och om det går sönder, det blir extremt stört. Fysiker säger att entropin, mängden oordning, har ökat. Termodynamikens lagar säger att störningen faktiskt alltid kommer att öka, inte tvärtom:Så ägg hoppar i allmänhet inte av golv, montera och landa på bord i den verkliga världen.

Korrekta kvantsystemavläsningar är viktiga - och notoriskt svåra att få fram

Om vi ​​vänder oss till kvantmekanik, världen ser ganska annorlunda ut, och ändå samma. Om vi ​​kontinuerligt mäter förskjutningen av en mekanisk, rörligt system som "membrantrumman" (illustration 1) med en precision som endast begränsas av kvantlagarna, denna mätning stör rörelsen djupt. Så du kommer att sluta mäta en förskjutning som störs under själva mätprocessen, och avläsningen av den ursprungliga förskjutningen kommer att bli bortskämd - om du inte kan mäta den införda störningen också.

I detta fall, du kan använda informationen om störningen för att minska entropin som produceras av mätningen och generera ordning från den-jämförbar med att kontrollera störningen i det krossade äggsystemet. Men den här gången har vi också information om förskjutningen, så vi har lärt oss något om hela systemet längs vägen, och, avgörande, vi har tillgång till membranets ursprungliga vibration, dvs rätt avläsning.

En generaliserad ram för att förstå entropi i kvantsystem

"Sambandet mellan termodynamik och kvantmätningar har varit känt i mer än ett sekel. Men en experimentell bedömning av denna länk saknades hittills, i samband med kontinuerliga mätningar. Det är precis vad vi har gjort med detta experiment. Det är absolut nödvändigt att vi förstår hur mätningar ger entropi och oordning i kvantsystem, och hur vi använder det för att ha kontroll över de avläsningar vi kommer att ha i framtiden från, säga, ett kvantsystem som en kvantdator.

Om vi ​​inte kan kontrollera störningarna, vi kommer i princip inte att kunna förstå avläsningarna - och kvantdatoravläsningarna kommer att vara oläsliga, och värdelös, självklart, "säger Massimiliano Rossi, Ph.D. student och första författare till den vetenskapliga artikeln. "Detta ramverk är viktigt för att skapa en generaliserad grundläggande grund för vår förståelse av entropiproducerande system på kvantskalan. Det är i grunden där den här studien passar in i den större skalan i fysik."