Ricercatori dell'Institut Néel-CNRS, L'Università di Saint Louis e l'Università di Rochester hanno recentemente realizzato un motore a due qubit alimentato da entanglement e misurazioni locali. Il design unico di questo motore, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , potrebbe aprire entusiasmanti possibilità per la ricerca sulla termodinamica e informare lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche.

"Il nostro articolo si basa su un effetto molto semplice e profondo della meccanica quantistica:misurare un sistema quantistico disturba il sistema, cioè., cambia il suo stato in modo casuale, " Alexia Auffèves, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, detto Phys.org . «Come conseguenza immediata, il dispositivo di misurazione fornisce sia energia che entropia al sistema quantistico, svolgendo un ruolo simile a una fonte calda che alimenta un motore termico. La differenza evidente è che qui, il carburante non è termico, ma quantistico".

Alcuni anni fa, Auffèves e alcuni dei suoi colleghi dell'Institut Néel-CNRS hanno introdotto il proof of concept per un motore alimentato a misurazione basato su un singolo qubit. Questa è stata la prima di una serie di proposte che hanno rivelato la controparte energetica dei dispositivi di misurazione.

Finora, i processi di misurazione sono stati in genere modellati utilizzando approcci teorici classici. Nel loro nuovo documento, i ricercatori hanno compiuto un audace passo avanti aprendo la "scatola nera" dei dispositivi di misurazione e osservandola da una prospettiva della fisica quantistica.

"Abbiamo specificamente considerato la creazione di correlazioni quantistiche tra il sistema da misurare e un 'metro quantistico, '", ha detto Affeves. "Abbiamo monitorato i flussi di energia ed entropia lungo questo processo, svelando l'origine microscopica del carburante di misura. Questo era l'obiettivo più importante del nostro lavoro".

Nel loro studio, Affeves e i suoi colleghi si sono quindi concentrati sui cosiddetti "sistemi compositi". La loro analisi alla fine ha portato alla progettazione di un motore alimentato da misurazioni basato su qubit entangled. Oltre alle misurazioni locali, questo motore è alimentato da un fenomeno fisico noto come entanglement quantistico. L'entanglement si verifica quando un insieme di particelle interagiscono o rimangono connesse in modo tale che le azioni eseguite da una influenzino l'altra, anche se c'è una distanza significativa tra loro.

Il nuovo motore proposto dai ricercatori ha due qubit. Un qubit è un sistema quantistico con due stati energetici:lo stato fondamentale |0> e lo stato eccitato |1> ,

"Quando un qubit viene misurato in |1> , si può estrarre deterministicamente un quanto di energia da esso, soprannominato un fotone, " disse Auffèves. "Quando il fotone viene rilasciato, il qubit è tornato a |0> dal risparmio energetico. Rispettivamente, quando il qubit è in |0> , si può fornire un fotone per eccitarlo nel |1> stato."

Auffèves e i suoi colleghi hanno giocato con due qubit di colore diverso:uno rosso e uno blu. Il qubit rosso scambia fotoni rossi, mentre quello blu scambia fotoni blu. In particolare, il qubit rosso trasporta meno energia del qubit blu.

Il protocollo utilizzato dai ricercatori fornisce inizialmente un fotone rosso al qubit rosso, preparazione |1 _un > mentre il qubit blu è |0 _B > . Successivamente, i qubit interagiscono scambiando fotoni tra loro, impigliarsi.

"Abbiamo quindi misurato il qubit blu, " disse Affeves. "Se si misura in |0 _B > siamo tornati allo stato iniziale, e il processo ricomincia. Se è misurato in |1 _B > si può estrarre un fotone blu. Poiché i fotoni blu sono più energetici di quelli rossi, si guadagna mediamente energia dal processo. Come mostriamo e analizziamo, questa energia proviene dal dispositivo di misurazione."

Il motore di misurazione proposto da Auffèves e dai suoi colleghi si basa su una sostanza di lavoro composita, e l'entanglement svolge un ruolo cruciale nel suo meccanismo di alimentazione. I ricercatori sono stati in grado di effettuare una valutazione quantitativa delle due risorse fisiche apportate dalla misurazione quantistica, vale a dire informazioni e carburante. Inoltre, hanno esaminato gli effetti di queste risorse sulle prestazioni del motore.

"I nostri risultati forniscono nuove informazioni sulle risorse energetiche fondamentali in gioco quando viene misurato un sistema quantistico, o equivalente, quando vengono create correlazioni quantistiche tra un sistema quantistico e un misuratore quantistico, " ha detto Auffèves. "In origine, questi risultati sono validi in assenza di una temperatura ben definita in quanto l'unica fonte di rumore considerata è la misurazione stessa."

Auffèves e i suoi colleghi sono stati tra i primi ad estendere i motori alimentati a misurazione alle sostanze di lavoro composite e ad offrire un'interpretazione microscopica del meccanismo di alimentazione. Le loro scoperte potrebbero aiutare ad estendere i concetti relativi alla termodinamica alle fonti quantistiche di rumore, come quelli che possono apparire all'interno di un criostato.

Nel futuro, il lavoro dei ricercatori potrebbe ispirare altri team a realizzare motori simili. Inoltre, il loro studio potrebbe aprire un campo di ricerca completamente nuovo, che essi suggeriscono potrebbe essere chiamata "energetica quantistica".

"I nostri risultati gettano nuova luce sul postulato di misurazione nella meccanica quantistica, " ha detto Auffèves. "Poiché questo meccanismo alimenta ancora dibattiti fondamentali, si può sperare che l'energia quantistica fornisca nuove quantità misurabili per distinguere tra le varie interpretazioni della meccanica quantistica. Da un lato più applicato, le impronte energetiche della misurazione quantistica e dell'entanglement avranno un impatto sul costo energetico delle tecnologie quantistiche e sul loro potenziale di scalabilità".

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