Mais de 150 anos depois que o famoso cientista escocês James Clerk Maxwell apresentou a ideia pela primeira vez, o conceito de demônio de Maxwell continua a deixar os físicos e cientistas da informação perplexos. O demônio que ele sonhou em um experimento mental, que poderia classificar as partículas rápidas e lentas em lados separados de um contêiner, parecia violar a segunda lei da termodinâmica. Levando em consideração a memória do demônio, os físicos foram capazes de alinhar o demônio com as leis da mecânica estatística dos sistemas clássicos, mas a situação ficou controversa mais uma vez quando os motores térmicos quânticos foram propostos, enquanto físicos da termodinâmica e teóricos da informação discutiam sobre explicações viáveis. Os resultados recentes da modelagem física podem reunir os diferentes argumentos.

"Queríamos mostrar uma ligação entre a ciência da informação e a termodinâmica, "explica Stella Seah, um Ph.D. estudante da Universidade Nacional de Cingapura. Seah trabalhou com Stefan Nimmrichter e Valerio Scarani no Instituto Max Planck para a Ciência da Luz e também na Universidade Nacional de Cingapura. Ao modelar um sistema físico com um "demônio menor de Maxwell" que tem apenas acesso limitado ao sistema, eles foram capazes de mostrar de onde vêm os aumentos de entropia, bem como se essa entropia leva ao que pode ser descrito como calor quântico ou trabalho genuíno realizado.

Disputas quânticas

Em sistemas quânticos, medições podem mudar o estado de um sistema, e é aqui que as implicações para a segunda lei da termodinâmica aparecem. Se a medição for incompatível com o sistema quântico - o que os físicos quânticos descreveriam como um hamiltoniano que não comuta - então a medição introduz energia. Se essa mudança na energia deve ser descrita como "trabalho realizado" ou "calor quântico" permanece uma questão espinhosa. Alguns argumentariam que, com medições repetidas, o calor se dissipa, que a energia é passiva e não pode ser aproveitada, e que em qualquer caso, considerar a medição como um canal dissipativo que só atua no sistema ignora erroneamente o aparelho de medição.

Embora as disputas sobre o tema muitas vezes ocupem domínios abstratos da teoria da informação e abstrações termodinâmicas, Seah, Nimmrichter e Scarani estavam ansiosos para desenvolver uma abordagem mais pragmática. Eles consideram um sistema de qubit em contato com um reservatório térmico que pode levá-lo a um estado de excitação. O qubit é acoplado a um ponteiro que muda de posição macroscopicamente dependendo do estado interno do qubit. Seah sugere pensar no ponteiro como uma mola, ou talvez uma molécula oscilando em um poço quântico, onde a posição para a energia mínima muda de posição dependendo do estado do qubit.

O menor de dois demônios

A principal diferença entre este sistema e os cenários usuais que os demônios Maxwell encontram é que o demônio só pode acessar informações sobre o ponteiro. Usando seu modelo, Seah, Nimmrichter e Scarani revelaram que, com este demônio menor de Maxwell, o sistema poderia permitir o feedback de medição, como os giros de Rabi no qubit que seriam definidos como um trabalho útil, bem como outros aumentos na entropia que podem ser descritos como aquecimento quântico.

O modelo parece fazer incursões significativas em um argumento que vem sendo travado há décadas, mas Seah diz que não ficou realmente surpresa ao chegar a esse resultado. "O que me surpreendeu foi quando descobrimos que, se você usar um ponteiro macroscópico, você obtém um comportamento diferente de um ponteiro microscópico. "Ela explica que usar um segundo qubit para atuar como um ponteiro no modelo leva ao comportamento termodinâmico familiar de um ciclo Otto (que descreve como alguns dos primeiros motores mecânicos da revolução industrial operaram ). Somente quando as mudanças de posição do ponteiro são muito maiores do que as flutuações térmicas que a medição aumenta a entropia de uma forma que seria definida como trabalho realizado. você não precisa fazer cursos distintos como para uma máquina de calor clássica. "Você pode fazer as medições aleatoriamente e tudo acontece continuamente, bem e sem problemas, "diz Seah.

Próximo, ela está interessada em considerar o que acontece para estados específicos (onde pode haver emaranhamento ou suposição) e se pode haver alguma vantagem quântica nisso.

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