Ricercatori dell'Università di Firenze e dell'Istituto dei Sistemi Complessi, in Italia, hanno recentemente dimostrato che l'invasività delle misurazioni quantistiche potrebbe non essere sempre dannosa. In uno studio pubblicato su Lettere di revisione fisica , hanno dimostrato che questa qualità invasiva può essere effettivamente sfruttata, utilizzando misurazioni quantistiche per alimentare un motore di raffreddamento.

Michele Campisi, uno dei ricercatori coinvolti nello studio, studia i fenomeni quantistici da diversi anni. Nel suo recente lavoro, ha studiato se i fenomeni quantistici possono avere un impatto sulla termodinamica dei dispositivi nanoscopici, come quelli impiegati nei computer quantistici.

"La maggior parte dei colleghi sul campo stava guardando alla coerenza e all'entanglement, mentre solo pochi stavano guardando un altro al vero fenomeno quantistico, cioè., il processo di misurazione quantistica, " Campisi ha detto a Phys.org. "Questi studi hanno suggerito che è necessario accompagnare le misurazioni con il controllo del feedback, come nel demone di Maxwell, per sfruttarne le potenzialità. ho iniziato a pensarci, ed eureka, poiché le misurazioni quantistiche sono molto invasive, sono accompagnati da scambi energetici, quindi può essere utilizzato per alimentare i motori senza la necessità di eseguire il controllo del feedback."

La seconda legge della termodinamica afferma che il calore scorre naturalmente dai corpi caldi a quelli freddi. Studi precedenti hanno scoperto che ci sono due modi per invertire questo flusso naturale di calore:utilizzando il lavoro fornito da un esterno, forza motrice dipendente dal tempo o implementando un demone Maxwell, che dirige il calore tramite un circuito di controllo di retroazione.

Nel loro studio, Campisi e i suoi colleghi hanno dimostrato che esiste, infatti, un terzo metodo per invertire il flusso di calore, che si basa sulla meccanica quantistica. Questa tecnica prevede l'uso di misurazioni quantistiche invasive come combustibile che alimenta la refrigerazione, senza alcun controllo di feedback. I ricercatori si riferiscono a questo meccanismo come raffreddamento della misurazione quantistica (QMC).

"Il quadro matematico generale è la meccanica quantistica standard, ma abbiamo dovuto usare un mix di metodi numerici e analitici avanzati per studiare tutti gli aspetti del raffreddamento della misurazione quantistica, "Lorenzo Buffoni, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Per esempio, per valutarne la robustezza al rumore sperimentale abbiamo utilizzato un ampio campionamento Monte Carlo dello spazio ad alta dimensionalità di possibili proiettori di misura, e ha utilizzato tecniche di apprendimento automatico per analizzare e visualizzare i dati".

Campisi e i suoi colleghi hanno illustrato QMC per mezzo di un prototipo di motore a due tempi e due qubit. Questo motore interagisce con l'apparato di misura impiegato dai ricercatori, nonché con due serbatoi di calore impostati a temperature diverse.

"Abbiamo anche intrapreso il compito di trovare le prestazioni termodinamiche ottimali con metodi analitici, che è stato molto impegnativo, "Andrea Divanonelli, un altro ricercatore che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Abbiamo impiegato il teorema di Birkhoff per esprimere la cosiddetta matrice di transizione (contenente tutte le informazioni rilevanti sugli scambi energetici nel nostro problema) in termini di permutazioni, che ha semplificato il problema. Ma siamo rimasti bloccati fino a quando non abbiamo trovato un teorema poco conosciuto dell'algebra lineare risalente ai primi anni '90, che alla fine ha portato alla soluzione."

Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli e la loro collega Paola Verrucchi hanno dimostrato che l'invasività delle misurazioni quantistiche può essere utilizzata per alimentare un motore di raffreddamento tramite il meccanismo QMC che hanno riportato. QMC non richiede il controllo del feedback, ma l'entanglement deve essere presente nei proiettori di misura.

I ricercatori hanno calcolato la probabilità che si verifichi QMC quando la base di misurazione viene selezionata casualmente. Hanno scoperto che questa probabilità può essere molto grande rispetto alla probabilità di estrarre energia (cioè far funzionare il motore termico), tuttavia è inferiore alla probabilità dell'operazione meno importante (cioè lo scarico del calore in entrambi i bagni).

"Dimostrare che misurare un sistema quantistico composto da due qubit può produrre da solo (cioè senza controllo di feedback) utili effetti termodinamici rappresenta sicuramente il risultato più significativo della nostra ricerca, "Alessandro Cuccoli, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Ciò deriva dall'osservazione del processo di misurazione quantistica da una prospettiva più ampia, dove sia il sistema che il suo ambiente, e gli scambi energetici che accompagnano la misurazione, sono considerati."

Secondo Cuccoli, il motore termico a due quibit sviluppato dai ricercatori potrebbe essere facilmente progettato per funzionare come dispositivo di raffreddamento. Questo sarebbe, tra l'altro, consentire la fabbricazione di unità di elaborazione di un computer quantistico da integrare con dispositivi ausiliari in grado di mantenerle alla bassa temperatura richiesta, poiché entrambi possono essere ottenuti utilizzando i qubit.

"Un'ulteriore osservazione perspicace è che per ottenere utili effetti termodinamici, il processo di misurazione deve coinvolgere stati 'entangled', cioè stati peculiarmente quantistici correlati dei due qubit, rivelando così l'intima connessione tra informazione e scambi energetici, " Ha aggiunto Cuccoli. "Approfondire la nostra comprensione di tale relazione nei motori quantistici nanoscopici è una delle principali sfide che guidano la nostra ricerca attuale e futura nel campo della termodinamica quantistica".

Lo studio condotto da Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli e Verrucchi hanno introdotto un meccanismo completamente nuovo in grado di invertire il flusso naturale del calore, intervenendo con il secondo principio della termodinamica, senza requisiti di controllo del feedback. Nel futuro, le loro scoperte potrebbero avere molte applicazioni, ad esempio, aiutando lo sviluppo di dispositivi per raffreddare i computer quantistici.

Il team di ricercatori coinvolti in questo studio fa parte di un consorzio di collaborazione che coinvolge 12 gruppi di ricerca di livello mondiale, compresi sperimentalisti e teorici di otto paesi dell'U.E. Paesi. Attualmente stanno cercando le risorse necessarie per sostenere il loro lavoro nei prossimi anni.

"Non vediamo l'ora di collaborare con gruppi sperimentali che potrebbero essere interessati a costruire un dispositivo di raffreddamento a misurazione quantistica funzionante, "Ha detto Campisi. "La piena comprensione e padronanza dell'energia dei sistemi e dei dispositivi quantistici è urgente, e chiede uno sforzo internazionale congiunto per accelerare lo sviluppo tecnologico".

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