Квантовый демон Максвелла «телепортирует» энтропию из кубита
Физики описали пространственно-разнесенного квантового демона Максвелла. Устройство может найти применение в квантовых компьютерах и микроскопических холодильниках точечного действия.
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».
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.
Telegram 
Дзен 
VK Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Считается, что современная музыка стала простой и даже примитивной. Ученые из Италии математически проверили эту гипотезу и подтвердили, что даже самые сложные жанры со временем стали дрейфовать к простоте и повторам одних и тех же составляющих.
Большой взрыв мог быть не началом Вселенной, а моментом рождения самой гравитации в привычном нам виде. Новая модель предлагает иную, квантовую форму гравитации, которая могла запустить инфляцию и избавить космологию от проблемы сингулярности, где законы физики перестают работать.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
Поставщик элементов окололунной станции попытался сдать клиентам изделия, подвергшиеся коррозии еще до начала его монтажа. Об этом заявил новый глава NASA Джаред Айзекман. Защищая свою позицию, поставщик сообщил, что ранее он поставлял модули с коррозией для МКС, но они все равно до сих пор работают. NASA использует скандал для отказа от алогичного проекта Lunar Gateway, обитаемой космической станции на окололунной орбите.
Ученые, похоже, приблизились к разгадке происхождения пшеницы мягкой — той самой, из которой делают большую часть хлеба и другие мучные изделия. Согласно авторам нового исследования, она, предположительно, появилась 8000 лет назад на территории современной Грузии и Армении.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно