Квантовый демон Максвелла «телепортирует» энтропию из кубита
12 минут
ФизТех

Квантовый демон Максвелла «телепортирует» энтропию из кубита

4.3

Физики описали пространственно-разнесенного квантового демона Максвелла. Устройство может найти применение в квантовых компьютерах и микроскопических холодильниках точечного действия.

Квантовый демон Максвелла «телепортирует» энтропию из кубита / ©Пресс-служба МФТИ

Ученые из Московского физико-технического института с коллегами из США и Швейцарии описали пространственно-разнесенного квантового демона Максвелла — устройство, локально нарушающее второй закон термодинамики в системе, которая находится на расстоянии одного-пяти метров от демона.

Устройство может найти применение в квантовых компьютерах и микроскопических холодильниках точечного действия. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.

Второй закон утверждает, что энтропия, то есть неупорядоченность, энергетически изолированной системы не может самопроизвольно уменьшаться.

«Наш демон делает так, что устройство, которое называется кубитом, переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное, — поясняет ведущий автор исследования Андрей Лебедев, сотрудник МФТИ и Федеральной высшей технической школы Цюриха. — При этом кубит не изменяет свою энергию и находится от демона на огромном, по меркам квантовой физики, расстоянии».

Схематическое изображение демона Максвелла / Википедия
Схематическое изображение демона Максвелла / Википедия

До сих пор авторы исследования и другие физики описывали и конструировали только квантовых демонов Максвелла с очень малым радиусом действия. Поскольку демона необходимо особым образом подготовить перед каждым взаимодействием с кубитом, а на это уходит энергия, глобально второй закон не нарушается.

Демон-очиститель

Роль кубита в исследовании выполняет сверхпроводящий искусственный атом —микроскопическое устройство, из которого ранее тот же коллектив предложил сделать квантовый магнитометр. Такой кубит состоит из тонких пленок алюминия, нанесенных на кремниевый чип.

Эта система называется искусственным атомом, потому что при температуре, близкой к абсолютному нулю, она ведет себя как атом с двумя энергетическими уровнями —основным и возбужденным.

Для кубита характерны «грязные» (смешанные) и «чистые» состояния. Если он пребывает или в основном, или в возбужденном состоянии, но не известно, в каком именно, то говорят о грязном. В таком состоянии можно говорить о классической вероятности найти искусственный атом на одном из своих уровней.

Но как и настоящий атом, кубит может находиться в квантовой суперпозиции основного и возбужденного состояния. Так в квантовой физике описывают особое состояние, которое не тождественно ни одному из двух базисных.

Такое состояние называют чистым, его нельзя описать только в терминах классической вероятности. Оно считается более упорядоченным, но может существовать лишь доли секунды, прежде чем переходит в грязное.

Роль демона выполняет второй такой же кубит. Он присоединяется к рабочему кубиту коаксиальным кабелем, который проводит микроволновые сигналы. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, оказавшись связанными, кубиты начинают самопроизвольно обмениваться виртуальными фотонами — порциями микроволнового излучения. Посредством фотонов кубиты меняются состояниями.

Демон приводится в чистое состояние, затем он обменивается состояниями с рабочим кубитом, отдавая чистое взамен на грязное с такой же энергией. Перейдя в чистое состояние, рабочий кубит снижает свою энтропию, сохранив прежнюю энергию.

Выходит, что демон Максвелла на расстоянии «съедает» энтропию кубита —энергетически изолированной системы. Если смотреть на кубит локально, возникает впечатление, что второй закон нарушен.

Квантовый нанохолодильник

Возможность на расстоянии очищать состояние рабочего кубита ценна с практической точки зрения. В отличие от грязного, чистое состояние кубита можно относительно легко и предсказуемо перевести в основное или в возбужденное при помощи электромагнитного поля.

Эта операция нужна для работы квантового компьютера: при его запуске требуется перевести все кубиты в основное состояние. При этом присутствие демона вблизи кубитов нежелательно, так как процесс его очистки может губительно повлиять на состояние компьютера.

Еще одно применение связано с тем, что перевод рабочего кубита в чистое состояние и затем в основное вызывает охлаждение точки пространства, где находится кубит. Это значит, что кубит работает как нанохолодильник, которым можно точечно охлаждать, например, участки молекул.

«Обычный холодильник воздействует на весь свой объем, а такой кубитный нанохолодильник будет охлаждать конкретную точку. В ряде случаев это может быть эффективнее, — объясняет соавтор исследования, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ Гордей Лесовик. — Например, в том же квантовом компьютере можно было использовать так называемое алгоритмическое охлаждение — в коде основной, „квантовой“ программы написать подпрограмму, которая будет прицельно охлаждать самые горячие кубиты».

«А поскольку любую тепловую машину можно запустить в обратную сторону, мы имеем еще и точечный нагреватель. Чтобы его включить, нужно переводить рабочий кубит из суперпозиции не в основное, а в возбужденное состояние. Тогда там, где находится кубит, станет горячее», — добавляет ученый.

Обе операции можно проводить многократно, потому что чистое состояние кубита живет доли секунды, после чего оно снова переходит в грязное, поглощая или излучая энергию в случае с холодильником и нагревателем соответственно. На каждом шаге точка нахождения кубита будет остывать или нагреваться сильнее.

Кроме радиуса действия демона, авторы статьи дают оценку максимальной температуры коаксиального кабеля между двумя кубитами, при которой вся система сохраняет свои квантовые свойства, без чего действие демона невозможно.

Хотя эта температура крайне низка (считаные градусы выше абсолютного нуля), она все же выше рабочей температуры кубитов примерно в 100 раз, что существенно облегчает реализацию предложенной схемы на практике.

Авторы уже работают над постановкой описанного в статье эксперимента.

Исследование профинансировано Швейцарским национальным научным фондом, Министерством энергетики США, Российским фондом фундаментальных исследований, Фондом развития теоретической физики и математики «БАЗИС», Министерством образования и науки России и правительством России.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
153 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 19:38
5 минут
Полина Гершберг

Препарат, созданный на основе противомалярийного средства, может помочь безболезненно пройти пик пандемии Covid-19 в России.

9 часов назад
41 минута
Александр Березин

Две с половиной тысячи лет назад, весной 480 года до нашей эры, Ксеркс, царь Персии, начал переправу своей армии через черноморские проливы. Данные Геродота о ее миллионной численности веками считались выдумкой. Однако последние десятилетия указывают на обратное: скорее всего, древнегреческий историк был прав. Вопреки нашим привычным представлениям о древности, тогда удавалось реализовать то, что кажется возможным лишь в современную эпоху. Попробуем разобраться, как у Ксеркса вышло то, что историки до конца XX века считали невозможным.

Позавчера, 11:20
2 минуты
Илья Ведмеденко

По словам осведомленных источников, Страна восходящего солнца не заинтересована в сотрудничестве с такими компаниями, как Boeing или BAE Systems, в вопросе создания истребителя нового поколения.

Позавчера, 19:38
5 минут
Полина Гершберг

Препарат, созданный на основе противомалярийного средства, может помочь безболезненно пройти пик пандемии Covid-19 в России.

9 часов назад
41 минута
Александр Березин

Две с половиной тысячи лет назад, весной 480 года до нашей эры, Ксеркс, царь Персии, начал переправу своей армии через черноморские проливы. Данные Геродота о ее миллионной численности веками считались выдумкой. Однако последние десятилетия указывают на обратное: скорее всего, древнегреческий историк был прав. Вопреки нашим привычным представлениям о древности, тогда удавалось реализовать то, что кажется возможным лишь в современную эпоху. Попробуем разобраться, как у Ксеркса вышло то, что историки до конца XX века считали невозможным.

25 марта
3 минуты
Мария Азарова

Ученые предполагают, что небесное тело, прибывшее к нам из другой планетной системы, стало распадаться после приближения к Солнцу. Вероятно, скоро можно будет констатировать смерть 2I\Borisov.

10 марта
5 минут
Сергей Васильев

Новый анализ образцов лунного грунта показал, что под поверхностью спутника могут скрываться остатки древней планеты Тейя, столкновение которой с Землей и привело к появлению спутника.

10 марта
2 минуты
Илья Ведмеденко

Принадлежащие норвежским ВВС американские истребители пятого поколения использовали для перехвата российских боевых самолетов — Ту-142 и МиГ-31.

13 марта
38 минут
Александр Березин

С начала марта 2020 года по социальным сетям распространяется одна и та же мысль: в России полным-полно больных Covid-19, просто власти занижают медицинскую статистику «на много порядков». Больные гриппом и ОРВИ, считают сторонники этой точки зрения, на самом деле, страдают от коронавируса. Смерти от него тоже «оформят» под грипп и обычную пневмонию. Более того, сходными фальсификациями пытаются объяснить и почти полную победу над эпидемией в Китае. Версия, согласимся, красочная, будоражит воображение. Проверим, совместима ли она с реальностью.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: