Hanno progettato il primo motore quantistico • Trends21

I fisici dell’Institut Neil (CNRS in Francia), in collaborazione con le università americane di Rochester e St. Louis, hanno scoperto come ottenere energia dai processi quantistici e utilizzarla per avviare un motore.

È un motore di nuova generazione che opera sulla base di due processi quantistici molto complessi, entanglement e scaling.

L’entanglement quantistico descrive una straordinaria particolarità delle particelle elementari: dopo essere state insieme per un po’, condividono la stessa identità una volta separate l’una dall’altra.

Qualsiasi modifica che apportiamo a una di queste particelle verrà immediatamente riflessa dall’altra particella, anche se si trova a migliaia di chilometri di distanza. Questo è il motivo per cui l’entanglement quantistico è la base del teletrasporto quantistico e della crittografia.

Meno noto è un secondo processo chiamato quantificazione, che è un altro degli intrecci logici della fisica delle particelle elementari.

La quantificazione ha un problema strutturale: basta Nota Da un sistema materiale che lo infastidisce. È impossibile conoscere il suo stato normale prima dell’osservazione o della misurazione. Non conosciamo mai la natura essenziale in uno stato vergine.

Diversamente, il file Il problema è il seguente: Come si spiega il valore specifico delle osservazioni di un dispositivo macroscopico, nella misurazione quantitativa, quando il sistema è in sovrapposizione dal punto di vista quantistico? (Olympia Lombardi e Leonardo Vagni, 2010).

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impronta energetica

Ciò che i fisici intendono non è solo misurare il sistema quantistico, ma anche misurare (e sfruttare) l’impronta energetica generata dall’atto di misurazione stesso.

Questa impronta energetica fa parte di una disciplina emergente, la termodinamica quantistica, che racchiude due diverse scienze: la fisica quantistica e la termodinamica statistica, che collega la descrizione microscopica della natura con la descrizione macroscopica.

Il solo fatto di quantificazione si riferisce a due processi energetici paralleli la cui espressione è complessa. D’altra parte, ottenere informazioni su un sistema quantistico genera un costo energetico impreciso.

D’altra parte, la quantificazione porta a fluttuazioni quantistiche associate a cambiamenti di energia ed entropia nel sistema osservato.

In questo modo, la quantificazione mostra un duplice potenziale energetico: un sistema di osservazione consuma energia (e lascia un’impronta energetica), allo stesso tempo i cambiamenti nel sistema osservato ne cambiano la temperatura (e causano anche un’impronta energetica)

Come hanno spiegato i ricercatori in a pubblicazioneUtilizzando questi elementi è possibile costruire un motore che sfrutta l’impronta energetica generata dalla quantificazione in entrambi i processi.

Schema di un’unità dual qubit. Un impulso rosso eccita un qubit rosso. L’eccitazione viene separata sotto l’influenza dell’accoppiamento, che genera uno stato di entanglement tra i due qubit. Pertanto, un demone che misura i qubit blu ha una probabilità diversa da zero di rilevare le eccitazioni in questo qubit, con conseguente aumento della potenza netta. Infine, Satana può utilizzare le informazioni acquisite durante la misurazione per estrarre energia sotto forma di lavoro, disattivando il qubit blu in maniera controllata con un impulso blu. (Credit: Alexia Auffèves, Institut Néel).

azionamento del braccio

Raggiunge questo riconciliando entrambi i lati della misurazione quantistica in una configurazione teorica (motore) che si basa su qubit o qubit (l’unità di base dell’informatica quantistica), qui utilizzata come fonte di informazioni. Già nel 2018 ho trovato Che il principio di Landauer (1961), secondo il quale scrivere o cancellare informazioni genera una certa energia, si verifica anche nel sistema quantistico.

Il motore quantistico è costruito utilizzando qubit di frequenze diverse che si combinano con i fotoni. In questo gioco quasi magico, in cui i qubit finiscono con l’entanglement quantistico, c’è un guadagno netto di energia.

I ricercatori affermano che il guadagno netto di potenza è del tutto originale, perché deriva da un meccanismo quantistico senza un equivalente classico: è prodotto solo osservando il sistema quantistico del motore.

In questo modo si ripete uno dei processi legati alla quantificazione delle finalità energetiche.

Il secondo aspetto si ottiene introducendo nel motore un terzo oggetto quantistico (oltre a qubit ed elettroni), una sorta di ago, che svolge il ruolo di misura e modifica l’entanglement quantistico rilasciato nel primo processo.

L’analisi di questo secondo aspetto conferma, secondo i ricercatori, che il flusso di energia si verifica anche quando i qubit entangled migrano verso l’ago.

L’energia di questa fase della misura viene generata come risultato della cancellazione delle correlazioni quantistiche tra i qubit entangled, una volta inserito un ago di misura nell’attuatore.

Girando con Demon Maxwell

I ricercatori spiegano il loro sviluppo come segue: Nel cosiddetto paradosso satanico di Maxwell, il Diavolo utilizza le informazioni acquisite sugli stati microscopici di un gas per produrre un motore funzionante da un’unica fonte calda (il cosiddetto motore monotermico), in apparente violazione del secondo principio della termodinamica (l’entropia tende ad aumentare) .

Questo paradosso viene risolto invocando la natura fisica dell’informazione: la memoria del demone deve essere resettata prima di riavviare il ciclo del motore, che richiede una sorgente fredda.

L’esperimento proposto da questi ricercatori si basa su un meccanismo simile, con la differenza che la fonte di energia non proviene da una fonte calda, ma dalla misura stessa, che fornisce energia e informazioni allo stesso tempo.

nuova prospettiva

I ricercatori osservano che i risultati di questa ricerca, pubblicati su Physical Review Letters, offrono una nuova prospettiva sull’assunzione della misurazione quantistica, il cui posto all’interno della teoria quantistica non è ancora stato oggetto di consenso.

Tuttavia, avvertono anche che i risultati ottenuti sono validi in assenza di rumore termico, poiché l’unica fonte di fluttuazioni di cui tenere conto è la quantificazione stessa.

Questa limitazione solleva la necessità di studiare, da questa nuova prospettiva, l’energia, l’entropia e i flussi di informazioni che si verificano all’interno di sistemi quantistici complessi, perché soffrono di rumore quantistico casuale che rende difficile ottenere energia.

I ricercatori citano specificamente i processori quantistici perché è necessaria una migliore comprensione dei meccanismi energetici sottostanti coinvolti nel loro funzionamento se si vuole ridurre significativamente il loro consumo energetico.

riferimento

Motore a due potenziometri azionato da incastro e indicatori locali. Léa Bresque et al. Fis. pastore. Lett. 126, 120605.24 marzo 2021. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.120605

Immagine in alto: Confronta le fibre su Unsplash