Pesquisadores do Institut Néel-CNRS, A University of Saint Louis e a University of Rochester realizaram recentemente um motor de dois qubit alimentado por emaranhamento e medições locais. O design exclusivo deste motor, descrito em um artigo publicado em Cartas de revisão física , poderia abrir possibilidades estimulantes para a pesquisa em termodinâmica e informar o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas.

"Nosso artigo é baseado em um efeito muito simples e profundo da mecânica quântica:medir um sistema quântico perturba o sistema, ou seja, muda seu estado de forma aleatória, "Alexia Auffèves, um dos pesquisadores que realizou o estudo, contado Phys.org . "Como consequência imediata, o dispositivo de medição fornece energia e entropia para o sistema quântico, desempenhando um papel semelhante a uma fonte quente alimentando um motor térmico. A diferença notável é que aqui, o combustível não é térmico, mas quântico. "

Alguns anos atrás, Auffèves e alguns de seus colegas do Institut Néel-CNRS apresentaram a prova de conceito para um motor alimentado por medição baseado em um único qubit. Esta foi a primeira de uma série de propostas que revelaram a contrapartida energética dos dispositivos de medição.

Até aqui, os processos de medição foram tipicamente modelados usando abordagens teóricas clássicas. Em seu novo jornal, os pesquisadores deram um passo ousado à frente, abrindo a 'caixa preta' dos dispositivos de medição e olhando para ela de uma perspectiva da física quântica.

"Consideramos especificamente a criação de correlações quânticas entre o sistema a ser medido e um 'medidor quântico, '", Disse Auffeves." Rastreamos os fluxos de energia e entropia ao longo deste processo, revelando a origem microscópica do combustível de medição. Este foi o objetivo mais importante do nosso trabalho. "

Em seu estudo, Auffeves e seus colegas, portanto, se concentraram nos chamados 'sistemas compostos ". A análise deles levou ao projeto de um motor movido a medição baseado em qubits emaranhados. Além das medições locais, este motor é alimentado por um fenômeno físico conhecido como emaranhamento quântico. O emaranhamento ocorre quando um conjunto de partículas interage ou permanece conectado de forma que as ações realizadas por uma afetam a outra, mesmo que haja uma distância significativa entre eles.

O novo motor proposto pelos pesquisadores possui dois qubits. Um qubit é um sistema quântico com dois estados de energia:o estado fundamental | 0> e o estado de excitação | 1> ,

"Quando um qubit é medido em | 1> , pode-se extrair deterministicamente um quantum de energia dele, apelidado de fóton, "Auffèves disse." Quando o fóton é liberado, o qubit está de volta a | 0> pela conservação de energia. Respectivamente, quando o qubit está em | 0> , pode-se fornecer um fóton para excitá-lo no | 1> Estado."

Auffèves e seus colegas brincaram com dois qubits de cores diferentes:um vermelho e um azul. O qubit vermelho troca fótons vermelhos, enquanto o azul troca fótons azuis. Notavelmente, o qubit vermelho carrega menos energia do que o qubit azul.

O protocolo usado pelos pesquisadores inicialmente fornece um fóton vermelho ao qubit vermelho, preparando | 1 _uma > enquanto o qubit azul é | 0 _b > . Subseqüentemente, os qubits interagem trocando fótons uns com os outros, tornando-se enredado.

"Em seguida, medimos o qubit azul, "Auffeves disse." Se for medido em | 0 _b > estamos de volta ao estado inicial, e o processo é reiniciado. Se for medido em | 1 _b > um fóton azul pode ser extraído. Uma vez que os fótons azuis são mais energéticos do que os vermelhos, ganha-se energia do processo em média. Conforme mostramos e analisamos, essa energia vem do dispositivo de medição. "

O motor movido a medição proposto por Auffèves e seus colegas depende de uma substância de trabalho composta, e o emaranhamento desempenha um papel crucial em seu mecanismo de abastecimento. Os pesquisadores foram capazes de realizar uma avaliação quantitativa dos dois recursos físicos trazidos pela medição quântica, nomeadamente informação e combustível. Além disso, eles examinaram os efeitos desses recursos no desempenho do motor.

"Nossas descobertas fornecem novos insights sobre os recursos energéticos fundamentais em jogo quando um sistema quântico é medido, ou equivalente, quando correlações quânticas são criadas entre um sistema quântico e um medidor quântico, "Auffèves disse." Originalmente, esses resultados são válidos na ausência de uma temperatura bem definida, já que a única fonte de ruído considerada é a própria medição. "

Auffèves e seus colegas foram os primeiros a estender os motores movidos a medição para substâncias de trabalho compostas e a oferecer uma interpretação microscópica do mecanismo de abastecimento. Suas descobertas podem ajudar a estender os conceitos relacionados à termodinâmica para fontes quânticas de ruído, como aqueles que podem aparecer dentro de um criostato.

No futuro, o trabalho dos pesquisadores pode inspirar outras equipes a criar motores semelhantes. Além disso, seu estudo pode abrir um campo de pesquisa inteiramente novo, que eles sugerem que poderia ser chamado de "energética quântica".

"Nossos resultados lançam uma nova luz sobre o postulado de medição na mecânica quântica, "Auffèves disse." Uma vez que este mecanismo ainda alimenta debates fundamentais, pode-se esperar que a energia quântica forneça novas quantidades mensuráveis ​​para distinguir entre as várias interpretações da mecânica quântica. Em um lado mais aplicado, as pegadas energéticas da medição quântica e do emaranhamento terão um impacto sobre o custo da energia das tecnologias quânticas e seu potencial de escalabilidade. "

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