Entropia ridotta in un reticolo tridimensionale di super-raffreddamento, gli atomi intrappolati al laser potrebbero aiutare ad accelerare i progressi verso la creazione di computer quantistici. Un team di ricercatori della Penn State può riorganizzare una serie di atomi distribuiti casualmente in blocchi ordinatamente organizzati, svolgendo così la funzione di un "demone di Maxwell", un esperimento mentale del 1870 che sfidò la seconda legge della termodinamica. I blocchi organizzati di atomi potrebbero costituire la base per un computer quantistico che utilizza atomi non caricati per codificare dati ed eseguire calcoli. Un documento che descrive la ricerca appare il 6 settembre, 2018 sulla rivista Natura .

"I computer tradizionali utilizzano i transistor per codificare i dati come bit che possono trovarsi in uno dei due stati:zero o uno, " ha detto David Weiss, professore di fisica alla Penn State e capo del gruppo di ricerca. "Stiamo ideando computer quantistici che utilizzano atomi come 'bit quantici' o 'qubit' in grado di codificare dati basati su fenomeni di meccanica quantistica che consentono loro di trovarsi in più stati contemporaneamente. L'organizzazione degli atomi in una griglia 3D compatta ci consente di inserisce molti atomi in una piccola area e rende il calcolo più semplice ed efficiente."

La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia, a volte pensata come disordine, di un sistema non può diminuire nel tempo. Una delle conseguenze di questa legge è che preclude la possibilità di un dispositivo di moto perpetuo. Intorno al 1870, James Clerk Maxwell propose un esperimento mentale in cui un demone poteva aprire e chiudere un cancello tra due camere a gas, permettendo agli atomi più caldi di passare in una direzione e agli atomi più freddi di passare nell'altra. Questo ordinamento, che non ha richiesto alcun apporto energetico, comporterebbe una riduzione dell'entropia nel sistema e una differenza di temperatura tra le due camere che potrebbe essere utilizzata come pompa di calore per eseguire il lavoro, violando così la seconda legge.

"Il lavoro successivo ha dimostrato che il demone in realtà non viola la seconda legge e successivamente ci sono stati molti tentativi di ideare sistemi sperimentali che si comportano come il demone, " ha detto Weiss. "Ci sono stati alcuni successi su scale molto piccole, ma abbiamo creato un sistema in cui possiamo manipolare un gran numero di atomi, organizzandoli in modo da ridurre l'entropia del sistema, proprio come il demone."

I ricercatori usano i laser per intrappolare e raffreddare gli atomi in un reticolo tridimensionale con 125 posizioni disposte come un cubo 5 per 5 per 5. Quindi riempiono casualmente circa la metà delle posizioni nel reticolo con atomi. Regolando la polarizzazione delle trappole laser, i ricercatori possono spostare gli atomi individualmente o in gruppi, riorganizzando gli atomi distribuiti casualmente per riempire completamente 5 per 5 per 2 o 4 per 4 per 3 sottoinsiemi del reticolo.

"Poiché gli atomi sono raffreddati a una temperatura quasi la più bassa possibile, l'entropia del sistema è quasi interamente definita dalla configurazione casuale degli atomi all'interno del reticolo, " ha detto Weiss. "Nei sistemi in cui gli atomi non sono super-raffreddati, la vibrazione degli atomi costituisce la maggior parte dell'entropia del sistema. In un tale sistema, organizzare gli atomi fa poco per cambiare l'entropia, ma nel nostro esperimento, mostriamo che l'organizzazione degli atomi riduce l'entropia all'interno del sistema di un fattore di circa 2,4."