In fisica, è essenziale essere in grado di mostrare un presupposto teorico in realtà, esperimenti fisici. Da più di cento anni, i fisici sono stati consapevoli del legame tra i concetti di disordine in un sistema, e le informazioni ottenute mediante misurazione. Però, una chiara valutazione sperimentale di questo collegamento nei comuni sistemi monitorati, ovvero sistemi che vengono misurati continuamente nel tempo, mancava finora.

Ma ora, usando un "tamburo quantico, "un vibrante, membrana meccanica, ricercatori dell'Istituto Niels Bohr, Università di Copenaghen, hanno realizzato un setup sperimentale che mostra l'interazione fisica tra il disturbo e gli esiti di una misurazione. Più importante, questi esiti consentono di estrarre ordine dal sistema largamente disordinato, fornendo uno strumento generale per ingegnerizzare lo stato del sistema, essenziale per le future tecnologie quantistiche, come i computer quantistici. Il risultato è ora pubblicato come suggerimento della redazione in Lettere di revisione fisica .

Le misurazioni introdurranno sempre un livello di disturbo di qualsiasi sistema misurato. Nell'ordinario, mondo fisico, questo di solito non è rilevante, perché è perfettamente possibile per noi misurare, dire, la lunghezza di un tavolo senza notare quel disturbo. Ma sulla scala quantistica, come i movimenti delle membrane utilizzate nel laboratorio Schliesser dell'Istituto Niels Bohr, le conseguenze del disturbo prodotto dalle misurazioni sono enormi. Questi grandi disturbi aumentano l'entropia, o disordine, del sistema sottostante, e apparentemente precludere di estrarre qualsiasi ordine dalla misurazione. Ma prima di spiegare come il recente esperimento ha realizzato questo, i concetti di entropia e termodinamica necessitano di poche parole.

Rompere un uovo è termodinamica

La legge della termodinamica copre processi estremamente complicati. L'esempio classico è che se un uovo cade da un tavolo, si rompe sul pavimento. Nella collisione, viene prodotto calore, tra molti altri processi fisici, e se immagini di poter controllare tutti questi processi complicati, non c'è niente nelle leggi fisiche che dicono che non puoi invertire il processo. In altre parole, l'uovo potrebbe effettivamente assemblarsi e volare di nuovo sulla superficie del tavolo, se potessimo controllare il comportamento di ogni singolo atomo, e invertire il processo. È teoricamente possibile.

Puoi anche pensare a un uovo come a un sistema ordinato, e se si rompe, diventa estremamente disordinato. I fisici dicono che l'entropia, la quantità di disordine, è aumentato. Le leggi della termodinamica ci dicono che il disordine infatti aumenterà sempre, non il contrario:quindi le uova generalmente non saltano dal pavimento, assemblare e atterrare sui tavoli nel mondo reale.

Le letture corrette del sistema quantistico sono essenziali e notoriamente difficili da ottenere

Se passiamo alla meccanica quantistica, il mondo sembra piuttosto diverso, eppure lo stesso. Se misuriamo continuamente lo spostamento di un meccanico, sistema in movimento come il "tamburo a membrana" (figura 1) con una precisione limitata solo dalle leggi quantistiche, questa misura disturba profondamente il movimento. Quindi finirai per misurare uno spostamento che viene disturbato durante il processo di misurazione stesso, e la lettura dello spostamento originale sarà rovinata, a meno che tu non possa misurare anche il disturbo introdotto.

In questo caso, puoi usare le informazioni sul disturbo per ridurre l'entropia prodotta dalla misurazione e generare ordine da essa, paragonabile al controllo del disordine nel sistema dell'uovo in frantumi. Ma questa volta abbiamo anche le informazioni sullo spostamento, così abbiamo imparato qualcosa sull'intero sistema lungo la strada, e, in modo cruciale, abbiamo accesso alla vibrazione originale della membrana, cioè la lettura corretta.

Un quadro generalizzato per comprendere l'entropia nei sistemi quantistici

"La connessione tra termodinamica e misurazioni quantistiche è nota da più di un secolo. Tuttavia, finora mancava una valutazione sperimentale di questo legame, nel contesto di misurazioni continue. Questo è esattamente ciò che abbiamo fatto con questo esperimento. È assolutamente essenziale comprendere come le misurazioni producono entropia e disordine nei sistemi quantistici, e come lo usiamo per avere il controllo sulle letture che avremo in futuro da, dire, un sistema quantistico come un computer quantistico.

Se non siamo in grado di controllare i disturbi, fondamentalmente non saremo in grado di capire le letture e le letture del computer quantistico saranno illeggibili, e inutile, Certo, "dice Massimiliano Rossi, dottorato di ricerca studente e primo autore dell'articolo scientifico. "Questo quadro è importante al fine di creare una base di base generalizzata per la nostra comprensione dei sistemi che producono entropia su scala quantistica. Questo è fondamentalmente il punto in cui questo studio si inserisce nella più ampia scala delle cose in fisica".