Entropia reduzida em uma rede tridimensional de super-resfriado, átomos aprisionados a laser podem ajudar a acelerar o progresso na criação de computadores quânticos. Uma equipe de pesquisadores da Penn State pode reorganizar uma série de átomos distribuídos aleatoriamente em blocos bem organizados, desempenhando assim a função de um "demônio de Maxwell" - um experimento mental da década de 1870 que desafiou a segunda lei da termodinâmica. Os blocos organizados de átomos podem formar a base de um computador quântico que usa átomos sem carga para codificar dados e realizar cálculos. Um artigo descrevendo a pesquisa aparece em 6 de setembro, 2018 no jornal Natureza .

"Os computadores tradicionais usam transistores para codificar dados como bits que podem estar em um de dois estados - zero ou um, "disse David Weiss, professor de física da Penn State e líder da equipe de pesquisa. "Estamos criando computadores quânticos que usam átomos como 'bits quânticos' ou 'qubits' que podem codificar dados com base em fenômenos da mecânica quântica que os permitem estar em vários estados simultaneamente. Organizar os átomos em uma grade 3-D compacta nos permite cabem muitos átomos em uma pequena área e torna a computação mais fácil e eficiente. "

A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia - às vezes considerada como desordem - de um sistema não pode diminuir com o tempo. Uma das consequências dessa lei é que ela exclui a possibilidade de um dispositivo de movimento perpétuo. Por volta de 1870, James Clerk Maxwell propôs um experimento mental no qual um demônio poderia abrir e fechar um portão entre duas câmaras de gás, permitindo que átomos mais quentes passem em uma direção e átomos mais frios na outra. Esta classificação, que não exigia entrada de energia, resultaria em uma redução da entropia no sistema e uma diferença de temperatura entre as duas câmaras que poderiam ser usadas como uma bomba de calor para realizar o trabalho, violando assim a segunda lei.

"Trabalhos posteriores mostraram que o demônio não viola realmente a segunda lei e, posteriormente, houve muitas tentativas de conceber sistemas experimentais que se comportam como o demônio, "disse Weiss." Houve alguns sucessos em escalas muito pequenas, mas criamos um sistema no qual podemos manipular um grande número de átomos, organizando-os de uma forma que reduza a entropia do sistema, assim como o demônio. "

Os pesquisadores usam lasers para capturar e resfriar átomos em uma rede tridimensional com 125 posições organizadas como um cubo de 5 por 5 por 5. Em seguida, eles preenchem aleatoriamente cerca de metade das posições na rede com átomos. Ajustando a polarização das armadilhas a laser, os pesquisadores podem mover átomos individualmente ou em grupos, reorganizar os átomos distribuídos aleatoriamente para preencher totalmente 5 por 5 por 2 ou 4 por 4 por 3 subconjuntos da rede.

"Como os átomos são resfriados a uma temperatura quase tão baixa quanto possível, a entropia do sistema é quase totalmente definida pela configuração aleatória dos átomos dentro da rede, "disse Weiss." Em sistemas onde os átomos não são super-resfriados, a vibração dos átomos constitui a maior parte da entropia do sistema. Em tal sistema, organizar os átomos faz pouco para mudar a entropia, mas em nosso experimento, mostramos que organizar os átomos diminui a entropia dentro do sistema por um fator de cerca de 2,4. "