Демон Максвелла телепортировал энтропию из кубита
Logo
Cover

Международная группа физиков описала новый вид квантового демона Максвелла — устройство, локально нарушающее второй закон термодинамики в системе, расположенной в нескольких метрах от демона.

543

Демон, созданный учеными МФТИ (Россия), Швейцарской высшей технической школы и Аргоннской национальной лаборатории (США), заставляет кубит переходить в более упорядоченное состояние. При этом демон не меняет энергию кубита и действует на расстоянии, объясняет Андрей Лебедев, ведущий автор статьи, опубликованной в журнале Physical Review B.

Все квантовые демоны Максвелла, описанные или созданные в прошлом, обладали весьма ограниченной зоной действия — они должны были находиться рядом с объектом, с которым взаимодействовали.  

Второй закон гласит, что энтропия — то есть степень неупорядоченности или хаоса — в изолированной системе никогда не уменьшается. В глобальном смысле исследователи и не нарушили этого закона — поскольку демона следует подготовить к взаимодействию с кубитом, на это уходит энергия, пишет EurekAlert.  

Кубит в эксперименте был представлен в виде сверхпроводящего искусственного атома. Такое устройство состоит из тонких алюминиевых пленок, размещенных на кремниевом чипе. Кубит может пребывать в «чистом», «грязном» или смешанном состояниях. Если он находится в одном из двух базовых состояний, но неизвестно, в каком именно, его состояние называется «грязным». В таком случае, может быть высчитана классическая вероятность нахождения искусственного атома в одном из двух состояний.

Однако, как и в случае реального атома, кубит может находиться в квантовой суперпозиции основного и возбужденного состояния.

В квантовой физике это называется чистым состоянием, которое отличается от классического описания вероятности и характеризуется большей упорядоченностью и меньшей энтропией. Оно может существовать только долю секунды, прежде чем снова стать грязным.

Демон, описанный учеными, — это еще один кубит, соединенный с первым коаксикальным кабелем, проводящим микроволновой сигнал. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, кубиты с помощью линии передачи начинают обмениваться виртуальными фотонами, протонами микроволнового излучения. Обмен фотонами меняет состояние кубитов.

Демон в навязанном ему искусственно чистом состоянии может менять состояния с другим кубитом, наделяя его чистотой в обмен на грязное состояние той же энергии.

Энтропия очищенного кубита сокращается, но его энергия не меняется. В результате демон направляет энтропию прочь от системы, изолированной с точки зрения энергии — то есть, от другого кубита. Так возникает локальное нарушение второго закона термодинамики.     

Возможность очистки кубита на макроскопическом расстоянии имеет практическое значение. Например, в квантовых компьютерах эта операция может понадобиться, чтобы приводить кубиты в основное состояние для запуска. Другое применение — охлаждение окружающей среды изменением состояния кубита. Нанохолодильник мог бы точечно понижать температуру частей молекул.

По мнению российского физика Михаила Дьяконова, исследования в области квантовых компьютеров превратились в пузырь и скоро интерес к ним угаснет. Миллионы уходят на исследования, время идет, а сроки появления новых сверхмощных вычислительных машин остаются неопределенными.