Oltre 150 anni dopo che il famoso scienziato scozzese James Clerk Maxwell introdusse per la prima volta l'idea, il concetto del demone di Maxwell continua a lasciare perplessi fisici e scienziati dell'informazione. Il demone che ha sognato in un esperimento mentale, che potrebbe smistare particelle veloci e lente in lati separati di un contenitore, sembrava violare la seconda legge della termodinamica. Tenendo conto della memoria del demone, i fisici riuscirono ad allineare il demone alle leggi della meccanica statistica per i sistemi classici, ma la situazione è tornata controversa quando sono stati proposti i motori termici quantistici, mentre i fisici della termodinamica e i teorici dell'informazione litigavano su possibili spiegazioni. I risultati recenti della modellazione fisica possono mettere insieme i diversi argomenti.

"Volevamo mostrare un legame tra la scienza dell'informazione e la termodinamica, " spiega Stella Seah, un dottorato di ricerca studente presso l'Università Nazionale di Singapore. Seah ha lavorato con Stefan Nimmrichter e Valerio Scarani al Max Planck Institute for the Science of Light e anche alla National University of Singapore. Modellando un sistema fisico con un "demone Maxwell minore" che ha solo un accesso limitato al sistema, sono stati in grado di mostrare da dove provengono gli aumenti di entropia, così come se quell'entropia porta a quello che potrebbe essere descritto come calore quantistico o lavoro genuino svolto.

Controversie quantistiche

Nei sistemi quantistici, le misurazioni possono modificare lo stato di un sistema, ed è qui che si insinuano le implicazioni per la seconda legge della termodinamica. Se la misurazione è incompatibile con il sistema quantistico - ciò che i fisici quantistici descriverebbero come un hamiltoniano che non commuta - allora la misurazione introduce energia. Se questo cambiamento di energia debba essere descritto come "lavoro svolto" o "calore quantistico" rimane una questione spinosa. Alcuni potrebbero obiettare che con misurazioni ripetute, il calore si disperde, che l'energia è passiva e non può essere imbrigliata, e che in ogni caso considerando la misura come un canale dissipativo che agisce solo sul sistema erroneamente ignora l'apparato di misura.

Mentre le controversie sull'argomento occupano spesso regni astratti della teoria dell'informazione e delle astrazioni termodinamiche, mare, Nimmrichter e Scarani erano desiderosi di sviluppare un approccio più pragmatico. Considerano un sistema di un qubit a contatto con un serbatoio termico che può promuoverlo a uno stato eccitato. Il qubit è accoppiato a un puntatore che cambia posizione macroscopicamente a seconda dello stato interno del qubit. Seah suggerisce di pensare al puntatore come a una molla, o forse una molecola che oscilla in un pozzo quantico, dove la posizione per l'energia minima cambia posizione a seconda dello stato del qubit.

Il minore di due demoni

La differenza fondamentale tra questo sistema e i soliti scenari incontrati dai demoni Maxwell è che il demone può accedere solo alle informazioni sul puntatore. Usando il loro modello, mare, Nimmrichter e Scarani hanno rivelato che con questo demone Maxwell minore il sistema potrebbe abilitare feedback di misurazione come i capovolgimenti di spin di Rabi sul qubit che sarebbero definiti come lavoro utile, così come altri aumenti di entropia che potrebbero essere descritti come riscaldamento quantistico.

Il modello sembra fare breccia significativa su un argomento che è stato condotto per decenni, ma Seah dice che non era davvero sorpresa di raggiungere questo risultato. "Quello che mi ha sorpreso è stato quando abbiamo scoperto che se usi un puntatore macroscopico, si ottiene un comportamento diverso da un puntatore microscopico." Spiega che l'uso di un secondo qubit per fungere da puntatore nel modello porta al familiare comportamento termodinamico di un ciclo Otto (che descrive come funzionavano alcuni dei primi motori meccanici della rivoluzione industriale ). È solo quando gli spostamenti di posizione della lancetta sono notevolmente superiori alle fluttuazioni termiche che la misurazione aumenta l'entropia in un modo che sarebbe definito come lavoro svolto. Inoltre, non è necessario effettuare colpi distinti come per un classico motore termico. "Puoi fare le misurazioni in modo casuale e tutto accade continuamente, bello e senza intoppi, "dice Sea.

Prossimo, è interessata a considerare cosa succede per stati specifici (dove potrebbe esserci entanglement o supposizione) e se potrebbe esserci qualche vantaggio quantistico lì.

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