(Крэдыт: craigcloutier / Flickr)

Квантовая версія "Дэмана Максвела" выяўляе дзіўны ўлоў

Згодна з новым даследаваннем, можна выкарыстоўваць інфармацыю для здабывання энергіі або працы на квантавым узроўні.

Тэрмадынаміка з'яўляецца адным з самых чалавечых навуковых прадпрыемстваў, кажа Катэр Мерч, дацэнт фізікі Вашынгтонскага універсітэта ў Сэнт-Луісе.

"Гэта звязана з нашым захапленнем агнём і нашай лянотай", - кажа ён. "Як мы можам атрымаць агонь" - ці цяпло - ", каб зрабіць працу для нас?"

Цяпер Мурч і яго калегі прынялі да гэтага немагчымы квантавы маштаб - ультра нізкія тэмпературы і мікраскапічныя сістэмы - і выявілі, што, як і ў макраскапічным свеце, магчымая праца з інфармацыяй.

Аднак ёсць улоў: у працэсе можа быць страчана нейкая інфармацыя.

"Мы эксперыментальна пацвердзілі сувязь паміж інфармацыяй у класічным выпадку і квантавым выпадку", - кажа Мерч, - і мы бачым гэты новы эфект ад страты інфармацыі.

Разуменне "Дэмана Максвела"

Пра тое, што мы можам атрымаць энергію з макраскапічнай інфармацыі, было найболей цудоўна праілюстравана ў аналітычным эксперыменце, вядомым як Дэман Максвела.

Дэман прэзентуе скрыню, запоўненую малекуламі. Скрынка падзелена напалову сцяной з дзвярыма. Калі дэман ведае хуткасць і кірунак усіх малекул, ён можа адкрыць дзверы, калі хутка рухаецца малекула рухаецца з левай паловы скрынкі ў правы бок, дазваляючы ёй праходзіць. Гэта можна зрабіць і для павольных часціц, якія рухаюцца ў процілеглым кірунку, адчыняючы дзверы, калі павольная малекула набліжаецца направа і накіроўваецца налева.

"... ёсць нешта аб інфармацыі, якую дэман мае пра малекулы. Ён мае такія фізічныя якасці, як цяпло, праца і энергія ".

Праз некаторы час усе хутка рухаюцца малекулы знаходзяцца ў правай частцы скрынкі. Больш хуткаму руху адпавядае больш высокая тэмпература. Такім чынам дэман стварыў тэмпературны дысбаланс, дзе адзін бок скрынкі гарачэй. Гэты дысбаланс тэмпературы можна ператварыць у працу - напрыклад, націскаць на поршань, напрыклад, у паравой машыне.

Спачатку мыслячы эксперымент, здавалася, паказвае, што можна стварыць перапад тэмператур, не выконваючы ніякіх работ, і паколькі перапады тэмператур дазваляюць здабываць працу, можна пабудаваць вечную машыну руху - парушэнне другога закону тэрмадынамікі.

"У рэшце рэшт, навукоўцы зразумелі, што ёсць нешта ў тым, што ў дэмана ёсць малекулы", - кажа Мурч. "Ён мае такія фізічныя якасці, як цяпло, праца і энергія."

Квантовы скачок

Яго каманда хацела даведацца, ці можна выкарыстаць інфармацыю для атрымання працы такім чынам у квантавай шкале, але не шляхам сартавання малекул хуткага і павольнага. Калі часціца знаходзіцца ў узбуджаным стане, яны могуць атрымаць працу, перамясціўшы яе ў асноўны стан. (Калі б ён быў у наземным стане, яны б нічога не рабілі і не растрачвалі ніякай працы).

"Ці можаце вы атрымаць працу з інфармацыі пра суперпазіцыі энергетычных станаў?"

Але яны хацелі ведаць, што адбудзецца, калі квантавыя часціцы апынуліся ў узбуджаным і адначасова зазямленым стане, аналагічнаму адначасоваму хуткаму і павольнаму. У квантавай фізіцы гэта вядома як суперпазіцыя.

"Ці можаце вы атрымаць працу з інфармацыі пра суперпазіцыі энергетычных станаў?" - пытае Мурч. "Вось што мы хацелі даведацца".

Праблема ёсць. У квантавай шкале атрымаць інфармацыю пра часціцы можа быць крыху… складана.

"Кожны раз, калі вы вымяраеце сістэму, яна змяняе гэтую сістэму", - кажа Мерч. І калі б яны вымяралі часціцу, каб даведацца, у якім менавіта стане ён знаходзіцца, яны вернуцца да аднаго з двух станаў: узбуджанага ці зямнога.

Гэты эфект называецца квантавым зваротам. Каб абыйсці яго, гледзячы на ​​сістэму, даследчыкі (якія былі "дэманамі") не доўга і доўга пільна глядзелі на іх часціцу. Замест гэтага яны прынялі тое, што называлася "слабым назіраннем". Гэта па-ранейшаму ўплывала на стан суперпазіцыі, але недастаткова, каб перанесці яго да ўзбуджанага або асноўнага стану; ён усё яшчэ знаходзіўся ў суперпазіцыі энергетычных станаў.

Гэтае назіранне было дастаткова, каб дазволіць даследчыкам з досыць высокай дакладнасцю адсочваць, у якім менавіта суперпазіцыі знаходзілася часціца - і гэта важна, таму што спосаб здабывання працы з часціцы залежыць ад таго, у якім стане яна знаходзіцца.

Становіцца дзіўна

Каб атрымаць інфармацыю, нават выкарыстоўваючы слабы метад назірання, даследчыкам усё ж давялося зазірнуць на часціцу, што азначала, што ім патрэбна святло. Таму яны адправілі некалькі фатонаў і назіралі за фатамі, якія вярнуліся.

Звязана: Каманда выявіла новае квантавае ўласцівасць пры фрыгіднай тэмпературы

"Але дэман прапускае некалькі фатонаў", - кажа Мерч. "Гэта толькі каля паловы. Другая палова згублена ». Але - і ў гэтым ключ - хоць даследчыкі не бачылі другой паловы фатонаў, тыя фатоны ўсё яшчэ ўзаемадзейнічалі з сістэмай, а значыць, яны ўсё яшчэ аказалі на яе ўплыў. У даследчыкаў не было магчымасці ведаць, што гэта за эфект.

Яны зрабілі слабое вымярэнне і атрымалі нейкую інфармацыю, але з-за квантовага звароту яны маглі даведацца менш, чым раней. З іншага боку, гэта адмоўная інфармацыя.

І гэта дзіўна.

"Ці дзейнічаюць правілы тэрмадынамікі для макраскапічнага, класічнага свету, калі мы гаворым пра квантовую суперпозицыю?" - пытае Мурч. "Мы выявілі, што так, яны трымаюцца, за выключэннем гэтага дзіўнага. Інфармацыя можа быць адмоўнай.

"Я думаю, што гэта даследаванне падкрэслівае, наколькі складана пабудаваць квантавы кампутар", - кажа Мерч. "Для звычайнага кампутара ён проста награваецца і нам трэба яго астудзіць. У квантавым кампутары вы заўсёды рызыкуеце страціць інфармацыю ".

Падобныя: Мадэляванне пабівае сусветны рэкорд квантавых вылічэнняў

Вынікі прыводзяцца ў лістах па фізічным аглядзе. Даследчыкі з Універсітэта Штутгарта; Універсітэт Эрланген-Нюрнберг; Універсітэт Ланкастэра; і Вашынгтонскі універсітэт таксама ўнеслі свой уклад у працу.

Нацыянальны навуковы фонд, Упраўленне па марскіх даследаваннях, Фонд Джона Тэмплтана і Інжынерны і фізічны навуковы савет фінансуюць даследаванні.

Крыніца: Брэндзі Джэферсан з Вашынгтонскага універсітэта ў Сэнт-Луісе

Арыгінальнае даследаванне DOI: 10.1103 / PhysRevLett.121.030604

Даведайцеся больш пра даследаванні на Futurance.org