(Phys.org)—Negli ultimi anni, i fisici hanno sviluppato scorciatoie quantistiche che accelerano il funzionamento dei sistemi quantistici. Sorprendentemente, alcune di queste scorciatoie teoricamente sembrano consentire ai sistemi di funzionare quasi istantaneamente senza utilizzare energia extra, una chiara violazione della seconda legge della termodinamica. Sebbene i fisici sapessero che qualcosa non va, finora la soluzione a questa situazione non è stata chiara.

Ora in un nuovo studio, i fisici hanno dimostrato che le scorciatoie quantistiche sono soggette a un compromesso tra velocità e costo, in modo che più velocemente si evolve un sistema quantistico, maggiore è il costo energetico dell'implementazione della scorciatoia. Secondo le leggi della termodinamica, una velocità infinitamente veloce sarebbe impossibile poiché richiederebbe una quantità infinita di energia.

I fisici, Steve Campbell alla Queen's University Belfast nel Regno Unito e all'Università di Milano in Italia, insieme a Sebastian Deffner presso l'Università del Maryland Baltimore County negli Stati Uniti, hanno pubblicato un articolo sul compromesso tra costo e velocità nelle scorciatoie quantistiche in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

"Alcuni metodi recentemente proposti per controllare i sistemi quantistici, chiamate scorciatoie per l'adiabaticità (STA), sembrano essere energeticamente gratuiti, e ancora più preoccupante non c'era niente da dire che non potevano essere raggiunti in tempi evanescenti, "Campbell ha detto Phys.org . "Che qualcosa non fosse giusto ci ha portato a considerare in modo più esplicito cosa succede quando vengono applicate queste tecniche".

Per fare questo, gli scienziati hanno applicato il limite di velocità quantistica, un limite superiore fondamentale della velocità alla quale un sistema quantistico può funzionare, che deriva dal principio di indeterminazione di Heisenberg. Poiché il limite di velocità quantistica è una conseguenza di questo principio fondamentale, deve applicarsi a tutte le STA, e quindi dovrebbe vietare loro di operare in tempi arbitrariamente brevi.

"Calcolando il limite di velocità quantistica, abbiamo mostrato che più velocemente vuoi manipolare un sistema usando una STA, maggiore è il costo termodinamico, "Campbell. "Inoltre, la manipolazione istantanea è impossibile poiché richiederebbe un'energia infinita per essere immessa."

Come hanno spiegato gli scienziati, i risultati non sono particolarmente sorprendenti, solo qualcosa che ha richiesto tempo per capire.

"Credo che questo sia un altro caso di 'se qualcosa sembra troppo bello per essere vero, in genere è, '", ha detto Deffner. "Probabilmente c'era un senso generale nella comunità che si dovesse quantificare il costo. Siamo stati i primi a risolverlo".

Per dimostrare l'utilità di questo trade-off, i fisici l'hanno applicata a due sistemi pratici. Il primo sono gli oscillatori armonici, che hanno una vasta gamma di usi, anche nei test di termodinamica quantistica. Il secondo è il modello Landau-Zener, che ha applicazioni nel calcolo quantistico adiabatico, come utilizzato nella macchina D-Wave.

In entrambi i modelli, il compromesso pone limiti pratici all'accelerazione finale di questi sistemi offerti dalle STA. Gli scienziati si aspettano che queste limitazioni aiuteranno a guidare la progettazione e l'implementazione di questi e altri sistemi quantistici in futuro.

"Vorremmo anche esaminare le altre tecniche per la STA che sono state sviluppate, e vediamo se possiamo trovare compromessi simili, " Ha detto Deffner. "Un altro percorso importante sarà quello di generalizzare il nostro lavoro alla meccanica quantistica non standard, come i materiali Dirac e i sistemi non lineari."

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