Ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, Politecnico di Zurigo, e Laboratorio Nazionale Argonne, NOI, hanno descritto un demone di Maxwell quantistico esteso, un dispositivo che viola localmente la seconda legge della termodinamica in un sistema situato da uno a cinque metri di distanza dal demone. Il dispositivo potrebbe trovare applicazioni in computer quantistici e frigoriferi microscopici che raffreddano piccoli oggetti con la massima precisione. La ricerca è stata pubblicata il 4 dicembre in Revisione fisica B .

La seconda legge della termodinamica dice che in un sistema isolato, entropia, il grado di disordine o casualità, non diminuisce mai.

"Il nostro demone fa sì che un dispositivo chiamato qubit passi a uno stato più ordinato, " ha spiegato l'autore principale dello studio, Andrey Lebedev del MIPT e dell'ETH di Zurigo. "È importante che il demone non altera l'energia del qubit e agisce su una distanza enorme per la meccanica quantistica."

Tutti i demoni quantistici di Maxwell descritti o creati finora dagli autori o da altri ricercatori hanno avuto un raggio d'azione molto limitato:erano situati vicino all'oggetto su cui operavano.

Perché il demone ha bisogno di essere "inizializzato, "o preparato, prima di ogni interazione con il qubit, una parte dell'energia viene inevitabilmente spesa nella posizione del demone. Ciò significa che a livello globale, vale ancora la seconda legge.

"purezza" demoniaca

Lo studio propone che il qubit sia implementato come un atomo artificiale superconduttore, un dispositivo microscopico come quello che i ricercatori avevano precedentemente proposto per l'uso come magnetometro quantistico. Tale qubit sarebbe costituito da sottili film di alluminio depositati su un chip di silicio. Il motivo per cui questo sistema è chiamato atomo artificiale è che a temperature vicine allo zero assoluto, si comporta come un atomo con due stati base:lo stato fondamentale e quello eccitato.

Un qubit può mostrare contemporaneamente stati "puri" e "impuri" misti. Se un qubit si trova in uno dei due stati base, ma non si sa con certezza quale, il suo stato viene definito "impuro". Se le cose stanno così, si può calcolare una probabilità classica di trovare l'atomo artificiale in uno dei due stati.

Però, proprio come un vero atomo, il qubit può trovarsi in una sovrapposizione quantistica del suolo e degli stati eccitati. Una sovrapposizione quantistica è uno stato speciale che non può essere ridotto a nessuno degli stati base. Questo cosiddetto stato puro, che sfida la nozione classica di probabilità, è associato a più ordine, e quindi meno entropia. Può esistere solo per una frazione di secondo prima di degenerare di nuovo in uno stato impuro.

Il demone descritto nell'articolo è un altro qubit collegato al primo da un cavo coassiale che trasporta segnali a microonde. Una conseguenza del principio di indeterminazione di Heisenberg è che una volta collegati da una linea di trasmissione, i qubit iniziano a scambiarsi fotoni virtuali, porzioni di radiazione a microonde. Questo scambio di fotoni consente ai qubit di scambiare i loro stati.

Se nel demone viene artificialmente indotto uno stato puro, può quindi scambiare stati con il qubit di destinazione, dotandolo di "purezza" in cambio di uno stato impuro della stessa energia. Purificando il qubit target, la sua entropia è ridotta ma la sua energia non è influenzata. Il risultato è che il demone incanala l'entropia lontano da un sistema isolato in termini di energia, vale a dire, il qubit di destinazione. Ciò comporta l'apparente violazione della seconda legge se il qubit target è considerato localmente.

Nanofrigorifero quantistico

Essere in grado di purificare un qubit target su una distanza macroscopica è importante da un punto di vista pratico. A differenza dello stato impuro, quello puro può essere commutato nel terreno o nello stato eccitato in modo relativamente semplice e prevedibile utilizzando un campo elettromagnetico. Questa operazione può essere utile in un computer quantistico, i cui qubit devono essere commutati nello stato fondamentale al momento del lancio. Farlo a distanza è importante, poiché la presenza di un demone vicino al computer quantistico influenzerebbe quest'ultimo in modo avverso.

Un'altra possibile applicazione del demone ha a che fare con quanto segue:il passaggio del qubit target allo stato puro e successivamente allo stato fondamentale rende il suo ambiente immediato leggermente più freddo. Questo trasforma il sistema proposto in un frigorifero di dimensioni nanometriche in grado di raffreddare parti di molecole con precisione millimetrica.

"Un frigorifero convenzionale raffredda tutto il suo volume, mentre il qubit "nanofridge" si rivolgerebbe a un punto particolare. Questo potrebbe essere più efficace in alcuni casi, " ha spiegato il coautore del documento Gordey Lesovik, che dirige il Laboratorio di Fisica della Tecnologia dell'Informazione Quantistica del MIPT. "Per esempio, potresti implementare il cosiddetto raffreddamento algoritmico. Ciò comporterebbe la fornitura del codice di un primario, programma "quantistico" con un sottoprogramma progettato per raffreddare specificamente i qubit più caldi.

"Un'ulteriore svolta è che con qualsiasi 'macchina termica, ' puoi farlo funzionare al contrario, trasformare un motore termico in un frigorifero o viceversa, " ha aggiunto il fisico. "Questo ci porta con un riscaldatore altamente selettivo, anche. Accenderlo, vorremmo commutare il qubit target nello stato eccitato anziché nello stato fondamentale, rendendo la posizione del qubit più calda."

Questo ciclo di raffreddamento o riscaldamento potrebbe essere eseguito ripetutamente, poiché il qubit di destinazione mantiene il suo stato puro per un breve periodo, dopo di che entra nello stato impuro, consumando o emettendo l'energia termica dell'ambiente. Ad ogni iterazione, la posizione del qubit diventa progressivamente più fredda o più calda, rispettivamente.

Oltre alla portata del demone, gli autori hanno stimato la temperatura massima del cavo coassiale che scorre tra i qubit. Al di sopra di questa temperatura, le proprietà quantistiche del sistema si perdono e il demone non funziona più. Sebbene la temperatura del cavo non possa superare di alcuni gradi lo zero assoluto, questo è comunque circa 100 volte più caldo della temperatura di lavoro dei qubit. Ciò rende notevolmente più semplice l'implementazione sperimentale della configurazione proposta.

Il team sta già lavorando all'implementazione dell'esperimento.