Hai mai provato a scongelare la tua cena mettendola in un congelatore identico dopo l'altro? Per quanto strano possa sembrare, recenti studi sull'ordine causale indefinito, in cui diversi ordini di eventi sono sovrapposti quantisticamente, suggeriscono che questo potrebbe effettivamente funzionare per i sistemi quantistici. I ricercatori dell'Università di Oxford mostrano come il fenomeno può essere utilizzato in un tipo di refrigerazione quantistica.

I risultati seguono i rapporti sugli effetti dell'ordine causale indefinito nella computazione quantistica e nella comunicazione quantistica. "La gente si chiedeva:il modello del circuito quantistico è una descrizione completa di ogni possibile ordinamento quantistico degli eventi?" spiega David Felce, un dottorato di ricerca studente all'Università di Oxford, mentre descrive come la ricerca sull'ordine causale indefinito sia emersa negli ultimi 10 anni.

Sondare questa domanda ha portato a studi di stati che passano attraverso canali depolarizzanti in cui uno stato iniziale ben definito finisce in uno stato totalmente casuale. Nessun trasferimento di informazioni significativo è possibile attraverso un canale depolarizzante, ma le cose cambiano quando lo stato quantico passa attraverso un canale di depolarizzazione dopo l'altro in un ordine causale indefinito. Quindi l'ordine dei canali è in una sovrapposizione, e impigliato con un qubit di controllo, che si trova in una sovrapposizione di stati diversi. I ricercatori hanno scoperto che quando uno stato passa attraverso due canali depolarizzanti in un ordine causale indefinito, una certa quantità di informazioni viene trasmessa se è possibile misurare anche il qubit di controllo.

"La termalizzazione è abbastanza simile alla depolarizzazione, " spiega Felce, spiegando che invece di darti uno stato completamente casuale, la termalizzazione ti dà uno stato che è per lo più casuale con una probabilità maggiore o minore di trovarsi nello stato energetico più alto o più basso a seconda della temperatura. "Ho pensato, se termalizzi qualcosa due volte in un ordine causale indefinito, quindi non ti ritroverai con lo stato di temperatura che ti aspetteresti." I risultati di temperatura imprevisti dalla termalizzazione potrebbero essere termodinamicamente utili, Aggiunge.

Felce e il professore di scienze dell'informazione dell'Università di Oxford Vlatko Vedral hanno analizzato le espressioni per un canale termalizzante descritte in termini simili a un canale depolarizzante e hanno considerato gli effetti di un ordine causale indefinito. Tra gli effetti "strani" che hanno trovato c'era la possibilità di termalizzare uno stato quantico con due serbatoi termici alla stessa temperatura con ordine causale indefinito e finire con lo stato a una temperatura diversa. I ricercatori propongono un ciclo di refrigerazione con questo come primo passo. Prossimo, sarebbe necessario misurare il qubit di controllo per scoprire se la temperatura dello stato quantistico termalizzato è stata innalzata o meno. Se ha, successivamente termalizzare lo stesso stato classicamente con un serbatoio caldo (fase due) quindi un serbatoio freddo (passo tre) potrebbe raffreddare il serbatoio freddo perché il calore trasferito dallo stato di nuovo al serbatoio freddo sarebbe inferiore a quello trasferito dai serbatoi freddi a lo stato al primo passaggio.

A prima vista, questo può sembrare in contrasto con le leggi della termodinamica. Un frigorifero convenzionale funziona perché è collegato alla rete elettrica o a qualche altra fonte di energia, quindi cosa fornisce l'energia per la refrigerazione quantistica di ordine causale indefinito? Felce spiega che questo può essere descritto nello stesso modo in cui il demone di Maxwell si adatta alle leggi della termodinamica.

Maxwell aveva ipotizzato che un demone che controllava la porta di una partizione in una scatola di particelle potesse misurare la temperatura delle particelle e aprire e chiudere la porta per dividere le particelle fredde e calde in partizioni separate della scatola, diminuendo l'entropia del sistema. Secondo le leggi della termodinamica, l'entropia dovrebbe sempre aumentare in assenza di lavoro svolto. Da allora gli scienziati hanno spiegato l'apparente incoerenza evidenziando che il demone sta misurando le particelle, e che le informazioni memorizzate sulle loro temperature misurate richiederanno una certa quantità di energia per essere cancellate:l'energia di cancellazione di Landauer.

Felce sottolinea che proprio come il demone di Maxwell, in ogni ciclo del frigorifero quantistico, è necessario effettuare una misurazione sul qubit di controllo per sapere in che ordine sono accadute le cose. "Una volta che hai memorizzato queste informazioni essenzialmente casuali nel tuo disco rigido, se vuoi riportare il tuo disco rigido allo stato iniziale, allora avrai bisogno di energia per cancellare il disco rigido, " dice. "Quindi potresti pensare di alimentare il frigorifero con dischi rigidi vuoti, al posto dell'elettricità, correre."

Prossimo, Felce prevede di esaminare i modi per implementare il frigorifero dell'ordine causale indefinito. Finora, implementazioni sperimentali di ordini causali indefiniti hanno utilizzato qubit di controllo in una sovrapposizione di stati di polarizzazione. Un divisore di fascio dipendente dalla polarizzazione invierebbe quindi un fotone attraverso un circuito in una direzione diversa a seconda della polarizzazione, cosicché una sovrapposizione di stati di polarizzazione porta ad una sovrapposizione dell'ordine in cui il fotone attraversa gli elementi del circuito. Felce è anche interessato a cercare di generalizzare i risultati a più serbatoi.

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