Pesquisadores da Universidade de Florença e do Istituto dei Sistemi Complessi, Na Itália, provaram recentemente que a capacidade de invasão das medições quânticas pode nem sempre ser prejudicial. Em um estudo publicado em Cartas de revisão física , eles mostraram que essa qualidade invasiva pode realmente ser explorada, usando medições quânticas para abastecer um motor de resfriamento.

Michele Campisi, um dos pesquisadores envolvidos no estudo, tem estudado fenômenos quânticos por vários anos. Em seu trabalho recente, ele investigou se os fenômenos quânticos podem impactar a termodinâmica de dispositivos nanoscópicos, como aqueles empregados em computadores quânticos.

"A maioria dos colegas da área estava olhando para a coerência e o emaranhamento, enquanto poucos estavam olhando para outro fenômeno quântico genuíno, ou seja, o processo de medição quântica, "Campisi disse ao Phys.org." Esses estudos sugeriram que você precisa acompanhar as medições com controle de feedback, como no demônio de Maxwell, a fim de explorar seu potencial. Comecei a pensar sobre isso, e eureka - uma vez que as medições quânticas são muito invasivas, eles são acompanhados por trocas de energia, portanto, pode ser usado para alimentar motores sem a necessidade de fazer o controle de feedback. "

A segunda lei da termodinâmica afirma que o calor flui naturalmente dos corpos quentes para os frios. Estudos anteriores descobriram que existem duas maneiras de reverter esse fluxo natural de calor:usando trabalho fornecido por um externo, força motriz dependente do tempo ou pela implementação de um demônio Maxwell, que direciona o calor por meio de um circuito de controle de feedback.

Em seu estudo, Campisi e seus colegas mostraram que existe, na verdade, um terceiro método para reverter o fluxo de calor, que se baseia na mecânica quântica. Esta técnica envolve o uso de medições quânticas invasivas como um combustível que alimenta a refrigeração, sem qualquer controle de feedback. Os pesquisadores se referem a esse mecanismo como resfriamento por medição quântica (QMC).

"A estrutura matemática geral é a mecânica quântica padrão, mas tivemos que usar uma combinação de métodos numéricos e analíticos avançados para investigar todas as facetas do resfriamento de medição quântica, "Lorenzo Buffoni, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Por exemplo, a fim de avaliar sua robustez ao ruído experimental, usamos extensa amostragem de Monte Carlo do espaço de alta dimensão de possíveis projetores de medição, e usou técnicas de aprendizado de máquina para analisar e visualizar os dados. "

Campisi e seus colegas ilustraram o QMC por meio de um motor prototípico de dois tempos e dois qubit. Este motor interage com o aparato de medição empregado pelos pesquisadores, bem como com dois reservatórios de calor ajustados a diferentes temperaturas.

"Também embarcamos na tarefa de encontrar o desempenho termodinâmico ideal por métodos analíticos, o que foi muito desafiador, "Andrea Sofanelli, outro pesquisador que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Empregamos o teorema de Birkhoff para expressar a chamada matriz de transição (contendo todas as informações relevantes sobre as trocas de energia em nosso problema) em termos de permutações, o que simplificou o problema. Mas continuamos presos a isso até encontrarmos um teorema pouco conhecido de álgebra linear que remonta ao início de 1990, o que finalmente levou à solução. "

Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli e sua colega Paola Verrucchi demonstraram que a invasividade das medições quânticas pode ser usada para alimentar um motor de resfriamento por meio do mecanismo QMC que relataram. QMC não requer controle de feedback, mas o emaranhamento deve estar presente nos projetores de medição.

Os pesquisadores calcularam a probabilidade de que QMC ocorrerá quando a base de medição for selecionada aleatoriamente. Eles descobriram que essa probabilidade pode ser muito grande em comparação com a probabilidade de extrair energia (ou seja, operar a máquina de calor), no entanto, é menor do que a probabilidade da operação menos importante (ou seja, despejar calor em ambos os banhos).

"Mostrar que medir um sistema quântico feito por dois qubits pode produzir por si mesmo (ou seja, sem controle de feedback) efeitos termodinâmicos úteis certamente representa o resultado mais significativo de nossa pesquisa, "Alessandro Cuccoli, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Isso decorre de olhar para o processo de medição quântica de uma perspectiva mais ampla, onde o sistema e seu ambiente, e as trocas de energia que acompanham a medição, são considerados."

De acordo com Cuccoli, o motor térmico de dois quibits desenvolvido pelos pesquisadores poderia ser facilmente projetado para funcionar como um dispositivo de resfriamento. Isso seria, entre outras coisas, permitem a fabricação de unidades de processamento de um computador quântico para serem integradas com dispositivos auxiliares que podem mantê-los na baixa temperatura necessária, já que ambos podem ser alcançados usando qubits.

"Outra observação perspicaz é que, a fim de obter efeitos termodinâmicos úteis, o processo de medição deve envolver estados 'emaranhados', isto é, estados correlacionados peculiarmente quânticos dos dois qubits, revelando assim a conexão íntima entre informações e trocas de energia, "Cuccoli acrescentou." Aprofundar nossa compreensão dessa relação nos motores quânticos nanoscópicos é um dos principais desafios que impulsionam nossas pesquisas atuais e futuras no campo da termodinâmica quântica. "

O estudo realizado por Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli e Verrucchi introduziram um mecanismo totalmente novo que pode reverter o fluxo natural de calor, intervindo com a segunda lei da termodinâmica, sem requisitos de controle de feedback. No futuro, suas descobertas podem ter muitas aplicações, por exemplo, auxiliando no desenvolvimento de dispositivos para resfriar computadores quânticos.

A equipe de pesquisadores envolvidos neste estudo faz parte de um consórcio de colaboração que envolve 12 grupos de pesquisa de classe mundial, incluindo experimentalistas e teóricos de oito E.U. países. Atualmente, eles buscam os recursos necessários para apoiar seu trabalho nos próximos anos.

"Estamos ansiosos para colaborar com grupos experimentais que possam estar interessados ​​em construir um resfriador de medição quântica funcional, "Campisi disse." A compreensão total e o domínio da energética dos sistemas e dispositivos quânticos são urgentemente necessários, e apela a um esforço internacional conjunto para acelerar o desenvolvimento tecnológico. "

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