Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou, ETH Zurique, e Argonne National Laboratory, NÓS, descreveram um demônio quântico estendido de Maxwell, um dispositivo que viola localmente a segunda lei da termodinâmica em um sistema localizado de um a cinco metros de distância do demônio. O dispositivo pode encontrar aplicações em computadores quânticos e refrigeradores microscópicos que resfriam objetos minúsculos com extrema precisão. A pesquisa foi publicada em 4 de dezembro em Revisão Física B .

A segunda lei da termodinâmica diz que em um sistema isolado, entropia, o grau de desordem ou aleatoriedade, nunca diminui.

"Nosso demônio faz com que um dispositivo chamado qubit faça a transição para um estado mais ordenado, "explicou o autor principal do estudo, Andrey Lebedev do MIPT e ETH Zurique. "Importante, o demônio não altera a energia do qubit e age a uma distância enorme para a mecânica quântica. "

Todos os demônios quânticos de Maxwell descritos ou criados até agora pelos autores ou outros pesquisadores tiveram um alcance muito limitado de ação - eles estavam situados perto do objeto no qual operavam.

Porque o demônio precisa ser "inicializado, "ou preparado, antes de cada interação com o qubit, alguma energia é inevitavelmente gasta na localização do demônio. Isso significa que globalmente, a segunda lei ainda se aplica.

'Pureza' demoníaca

O estudo propõe que o qubit seja implementado como um átomo artificial supercondutor, um dispositivo microscópico como o que os pesquisadores propuseram anteriormente para uso como magnetômetro quântico. Esse qubit seria feito de finas películas de alumínio depositadas em um chip de silício. A razão pela qual este sistema é chamado de átomo artificial é que em temperaturas próximas do zero absoluto, ele se comporta como um átomo com dois estados básicos:o fundamental e os estados excitados.

Um qubit pode exibir simultaneamente estados mistos "puro" e "impuro". Se um qubit está em um dos dois estados básicos, mas não se sabe ao certo qual, seu estado é conhecido como "impuro". Se esse é o caso, uma probabilidade clássica de encontrar o átomo artificial em um dos dois estados pode ser calculada.

Contudo, assim como um átomo real, o qubit pode estar em uma superposição quântica do solo e dos estados excitados. Uma superposição quântica é um estado especial que não pode ser reduzido a nenhum dos estados básicos. Este chamado estado puro, que desafia a noção clássica de probabilidade, está associado a mais pedidos, e, portanto, menos entropia. Ele só pode existir por uma fração de segundo antes de degenerar de volta a um estado impuro.

O demônio descrito no artigo é outro qubit conectado ao primeiro por um cabo coaxial que transporta sinais de microondas. Uma consequência do princípio da incerteza de Heisenberg é que, uma vez conectado por uma linha de transmissão, os qubits começam a trocar fótons virtuais, porções de radiação de microondas. Essa troca de fótons permite que os qubits troquem seus estados.

Se um estado puro é induzido artificialmente no demônio, ele pode então trocar estados com o qubit alvo, dotando-o de "pureza" em troca de um estado impuro da mesma energia. Ao purificar o qubit alvo, sua entropia é reduzida, mas sua energia não é afetada. O resultado é que o demônio canaliza a entropia para longe de um sistema isolado em termos de energia, ou seja, o qubit alvo. Isso resulta na aparente violação da segunda lei se o qubit alvo for considerado localmente.

Nanorefrigerador quântico

Ser capaz de purificar um qubit alvo a uma distância macroscópica é importante do ponto de vista prático. Ao contrário do estado impuro, o puro pode ser comutado para o solo ou para o estado excitado de uma forma relativamente direta e previsível usando um campo eletromagnético. Esta operação pode ser útil em um computador quântico, cujos qubits precisam ser mudados para o estado fundamental no lançamento. Fazer isso à distância é importante, já que a presença de um demônio próximo ao computador quântico afetaria o último de maneiras adversas.

Outra aplicação possível do demônio tem a ver com o seguinte:Mudar o qubit alvo para o puro e, subsequentemente, para o estado fundamental torna seu ambiente imediato um pouco mais frio. Isso transforma o sistema proposto em um refrigerador nanométrico capaz de resfriar partes de moléculas com extrema precisão.

"Uma geladeira convencional resfria todo o seu volume, enquanto o qubit 'nanofridge' teria como alvo um determinado local. Isso pode muito bem ser mais eficaz em alguns casos, "explicou o co-autor do jornal Gordey Lesovik, que chefia o Laboratório de Física da Tecnologia da Informação Quântica do MIPT. "Por exemplo, você poderia implementar o que é conhecido como resfriamento algorítmico. Isso envolveria fornecer o código de um primário, programa 'quantum' com um subprograma projetado para resfriar especificamente os qubits mais quentes.

"Outra reviravolta é que com qualquer 'máquina de calor, 'você pode executá-lo ao contrário, transformar uma máquina de calor em uma geladeira ou vice-versa, "acrescentou o físico." Isso nos leva a um aquecedor altamente seletivo, também. Para ligar, mudaríamos o qubit alvo para o estado excitado em vez do estado fundamental, tornando o paradeiro do qubit mais quente. "

Este ciclo de resfriamento ou aquecimento pode ser executado repetidamente, uma vez que o qubit alvo retém seu estado puro por um breve tempo, após o qual entra no estado impuro, consumindo ou emitindo a energia térmica do meio ambiente. Com cada iteração, a localização do qubit se torna progressivamente mais fria ou mais quente, respectivamente.

Além do alcance do demônio, os autores estimaram a temperatura máxima do cabo coaxial passando entre os qubits. Acima desta temperatura, as propriedades quânticas do sistema são perdidas e o demônio não funciona mais. Embora a temperatura do cabo não possa exceder alguns graus acima do zero absoluto, no entanto, é cerca de 100 vezes mais quente do que a temperatura de trabalho dos qubits. Isso torna consideravelmente mais fácil implementar experimentalmente a configuração proposta.

A equipe já está trabalhando na implementação do experimento.