Entropia redusă într-o rețea tridimensională de atomi super-răciti, capturați cu laser, poate ajuta la accelerarea progresului către calculul cuantic. O echipă de cercetători din Penn State poate rearanja structura unui număr distribuit aleatoriu de atomi în blocuri bine aranjate, îndeplinind funcția „demonului lui Maxwell” - un experiment de gândire în urmă cu aproape 150 de ani care solicită a doua lege a termodinamicii.
Blocurile organizate de atomi ar putea sta la baza unui computer cuantic care folosește atomi neîncărcați pentru a codifica date și a efectua calcule. Un articol care descrie cercetarea va apărea pe 6 septembrie 2018 în revista Nature.
„Calculatoarele tradiționale folosesc tranzistoare pentru a codifica datele ca biți care pot fi în una din cele două stări - zero sau unul”, a spus David Weiss, profesor de fizică la Penn State și șef al echipei de cercetare. „Dezvoltăm computere cuantice care folosesc atomi ca„ biți cuantici ”sau„ qubiți ”care pot codifica date bazate pe fenomene mecanice cuantice care le permit să se afle simultan în mai multe stări. Aranjarea atomilor într-o grilă 3D închisă ne permite să stocăm multe atomii din zone mici și fac calculul mai simplu și mai eficient. "
A doua lege a termodinamicii spune că entropia - uneori gândită ca un eșec - a unui sistem nu poate scădea în timp. Una dintre consecințele acestei legi este că exclude posibilitatea construirii unui perpetum mobile (un dispozitiv cu mișcare perpetuă-constantă-eternă). Cândva în jurul anului 1870, James Clerk Maxwell a propus un experiment de gândire în care un demon ar putea deschide și închide o poartă între două camere de gaz, permițând atomilor mai calzi să treacă într-o direcție și atomii mai reci să treacă în cealaltă. Această sortare, care nu a necesitat nici un aport de energie, ar duce la o reducere a entropiei în sistem și la o diferență de temperatură între cele două camere care ar putea fi utilizate ca pompă de căldură pentru a efectua lucrarea, încălcând astfel a doua lege a termodinamicii.
Reducerea entropiei într-o rețea umplută aleatoriu de 5x5x5 atomi. Fiecare coloană prezintă un angajament de 5 planuri ale grilei. Mai sus sunt distribuțiile inițiale aleatorii ale atomilor la 125 de poziții posibile. A doua linie arată aranjamentele după prima reorganizare și a treia linie după a doua reorganizare. În acel moment, subgrila țintă 5x5x2 este complet umplută. acest proces reduce entropia din sistem cu un factor de 2,4. Credit: Laboratorul Weiss, Penn State
"Rezultatele ulterioare au arătat că demonul nu a încălcat de fapt a doua lege a termodinamicii și, ulterior, mulți au încercat să dezvolte sisteme experimentale care se comportă ca un demon", a spus Weiss. „Unele succese au ajuns la scări foarte mici, dar am creat un sistem în care putem manipula un număr mare de atomi, organizându-i într-un mod care reduce entropia sistemului la fel ca un demon”.
Cercetătorii folosesc lasere pentru a captura și a răci atomii într-o grilă tridimensională cu 125 de poziții aranjate sub forma unui cub de 5 x 5 x 5. Apoi umple în mod aleatoriu aproximativ jumătate din pozițiile din grilă cu atomi. Prin ajustarea polarizării capcanelor cu laser, cercetătorii pot muta atomii individual sau în grupuri, reorganiza atomii distribuiți aleatoriu sau completa complet subseturile unei rețele de 5 x 5 x 2 sau 4 x 4 x 3.
"Deoarece atomii sunt răciti la o temperatură cât mai scăzută posibil, entropia sistemului este aproape complet definită de configurația aleatorie a atomilor din rețea", a spus Weiss. "În sistemele în care atomii nu sunt supraîncălziți, vibrațiile atomilor alcătuiesc majoritatea entropiei sistemului."