Зменшена ентропія в тривимірній решітці переохолоджених, захоплених лазером атомів може допомогти прискорити прогрес у напрямку квантових обчислень. Команда дослідників із штату Пенсільванія може переставити структуру випадково розподіленого числа атомів на акуратно розташовані блоки, виконуючи функцію "демона Максвелла" - думкового експерименту майже 150 років тому, який вимагає другого закону термодинаміки.
Організовані блоки атомів можуть стати основою для квантового комп’ютера, який використовує незаряджені атоми для кодування даних та проведення обчислень. Стаття з описом дослідження з’явиться 6 вересня 2018 року в журналі Nature.
"Традиційні комп'ютери використовують транзистори для кодування даних у вигляді бітів, які можуть бути в одному з двох станів - нульовому або одному", - сказав Девід Вайс, професор фізики в штаті Пенсільванія, керівник дослідницької групи. "Ми розробляємо квантові комп'ютери, які використовують атоми як" квантові біти "або" кубіти ", які можуть кодувати дані на основі квантово-механічних явищ, що дозволяють їм перебувати в декількох станах одночасно. Розташування атомів у закритій тривимірній сітці дозволяє нам зберігати багато атомів на невеликій площі і роблять розрахунки простішими та ефективнішими ".
Другий закон термодинаміки говорить, що ентропія - інколи сприймається як збій - системи не може зменшуватися з часом. Одним із наслідків цього закону є те, що він виключає можливість побудови perpetum mobile (пристрій з постійно-постійно-вічним рухом). Десь приблизно в 1870 році Джеймс Клерк Максвелл запропонував мислительний експеримент, в рамках якого демон міг відкрити і закрити заслінку між двома газовими камерами, дозволяючи теплішим атомам проходити в одному напрямку, а більш холодним - в іншому. Це сортування, яке не вимагало жодного введення енергії, призвело б до зменшення ентропії в системі та різниці температур між двома камерами, які могли б використовуватися як тепловий насос для виконання роботи, тим самим порушуючи другий закон термодинаміки.
Зменшення ентропії у хаотично заповненій решітці 5x5x5 атомів. Кожна колонка показує зачеплення 5 площин сітки. Вище наведені початкові випадкові розподіли атомів у 125 можливих положеннях. Другий рядок показує домовленості після першої реорганізації, а третій рядок після другої реорганізації. На той момент цільова підсітка 5x5x2 повністю заповнена. цей процес зменшує ентропію в системі в 2,4 рази. Кредит: лабораторія Вайс, штат Пенсільванія
"Пізніші результати показали, що демон насправді не порушив другого закону термодинаміки, і згодом багато хто намагався розробити експериментальні системи, які поводяться як демон", - сказав Вайс. "Були певні успіхи в дуже малому масштабі, але ми створили систему, в якій ми можемо маніпулювати великою кількістю атомів, організовуючи їх таким чином, що зменшує ентропію системи так само, як демон".
Дослідники використовують лазери для захоплення та охолодження атомів у тривимірну сітку із 125 положеннями, розташованими як куб 5 х 5 х 5. Потім вони випадковим чином заповнюють атомами близько половини позицій у сітці. Регулюючи поляризацію лазерних пасток, дослідники можуть переміщати атоми окремо або групами, реорганізовувати випадково розподілені атоми або повністю заповнювати підмножини сітки 5 х 5 х 2 або 4 х 4 х 3.
"Оскільки атоми охолоджуються до якомога нижчої температури, ентропія системи майже повністю визначається випадковою конфігурацією атомів у решітці", - сказав Вайс. "У системах, де атоми не переохолоджуються, вібрації атомів складають більшу частину ентропії системи. У такій системі організація атомів не має великого впливу на зміну ентропії, але в нашому експерименті ми показати, що організація атомів зменшує ентропію в системі приблизно в 2,4 рази ".