Использование квантовых измерений для заправки охлаждающего двигателя

При охлаждении квантовыми измерениями тепловой ток питается энергией, обеспечиваемой посредством инвазивных измерений на соответствующей основе измерения, без выполнения контроля с обратной связью. Сплошные стрелки представляют поток энергии. Предоставлено: Campisi et al.

Исследователи из Университета Флоренции и Istituto dei Sistemi Complessi в Италии недавно доказали, что инвазивность квантовых измерений не всегда может быть вредной. В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, они показали, что это инвазивное качество действительно можно использовать, используя квантовые измерения для питания охлаждающего двигателя.

Микеле Кампизи, один из исследователей, участвующих в исследовании, изучал квантовые явления в течение нескольких лет. В своей недавней работе он исследовал, могут ли квантовые явления влиять на термодинамику наноскопических устройств, например, используемых в квантовых компьютерах.

«Большинство коллег в этой области смотрели на связность и запутанность, в то время как лишь немногие смотрели на другого на подлинное квантовое явление, то есть на процесс квантовых измерений», — сказал Кампизи Phys.org. «Эти исследования показали, что вам нужно сопровождать измерения с контролем обратной связи, как в демоне Максвелла, чтобы использовать их потенциал. Я начал думать об этом, и Эврика — поскольку квантовые измерения очень инвазивны, они сопровождаются обменом энергией, следовательно, может использоваться для питания двигателей без необходимости контроля обратной связи. «

Второй закон термодинамики гласит, что тепло естественным образом течет от горячих тел к холодным. Прошлые исследования показали, что существует два способа обратить вспять этот естественный поток тепла: используя работу, обеспечиваемую внешней, зависящей от времени движущей силой, или внедряя демона Максвелла, который направляет тепло через контур управления с обратной связью.

В своем исследовании Кампизи и его коллеги показали, что на самом деле существует третий метод реверса теплового потока, основанный на квантовой механике. Этот метод влечет за собой использование инвазивных квантовых измерений в качестве топлива для питания холодильного оборудования без какой-либо обратной связи. Исследователи называют этот механизм квантовым измерением охлаждения (QMC).

«Общая математическая основа — это стандартная квантовая механика, но нам пришлось использовать сочетание передовых численных и аналитических методов для исследования всех аспектов охлаждения квантовых измерений», — сказал Phys.org другой исследователь, участвовавший в исследовании Лоренцо Буффони. «Например, чтобы оценить его устойчивость к экспериментальному шуму, мы использовали обширную выборку Монте-Карло многомерного пространства возможных измерительных проекторов и использовали методы машинного обучения для анализа и визуализации данных».

Кампизи и его коллеги проиллюстрировали QMC с помощью прототипа двухтактного двухбитного двигателя. Этот двигатель взаимодействует с измерительной аппаратурой, используемой исследователями, а также с двумя тепловыми резервуарами, настроенными на разные температуры.

«Мы также приступили к поиску оптимальных термодинамических характеристик с помощью аналитических методов, что было очень сложной задачей», — сказал Physa.org другой исследователь, проводивший исследование Андреа Софанелли. «Мы использовали теорему Биркгофа, чтобы выразить так называемую матрицу переходов (содержащую всю необходимую информацию об обменах энергией в нашей задаче) в терминах перестановок, которые упростили проблему. Но мы оставались застрявшими в этом, пока не нашли малоизвестную теорему линейной алгебры, восходящей к началу 1990-х годов, что в конечном итоге привело к решению «.

Кампизи, Буффони, Кукколи, Сольфанелли и их коллега Паола Веррукки продемонстрировали, что инвазивность квантовых измерений может использоваться для питания охлаждающего двигателя с помощью механизма QMC, о котором они сообщили. QMC не требует контроля обратной связи, но в измерительных проекторах должна присутствовать запутанность.

Исследователи рассчитали вероятность того, что QMC произойдет при случайном выборе базы измерения. Они обнаружили, что эта вероятность может быть очень большой по сравнению с вероятностью извлечения энергии (т.е. работы теплового двигателя), но она меньше, чем вероятность наименее важной операции (то есть сброса тепла в обеих ваннах).

«Показ того, что измерение квантовой системы, созданной двумя кубитами, может привести к самому себе (т.е. без контроля обратной связи), полезные термодинамические эффекты, безусловно, представляют собой наиболее значимый результат нашего исследования», — сказал Phys.org другой исследователь, участвующий в исследовании, Алессандро Кукколи. «Это следует из рассмотрения процесса квантовых измерений в более широкой перспективе, где рассматриваются как система и ее окружение, так и обмены энергией, сопровождающие измерение».

По словам Кукколи, разработанный исследователями двухквитальный тепловой двигатель может быть легко сконструирован для работы в качестве охлаждающего устройства. Это, среди прочего, позволило бы объединить процессорные устройства квантового компьютера со вспомогательными устройствами, которые могут поддерживать их при требуемой низкой температуре, так как оба могут быть достигнуты с помощью кубитов.

«Еще одно проницательное наблюдение заключается в том, что для получения полезных термодинамических эффектов процесс измерения должен включать в себя« запутанные »состояния, то есть специфически квантово-коррелированные состояния двух кубитов, таким образом выявляя тесную связь между обменом информацией и энергией», — добавил Кукколи. , «Углубление нашего понимания таких взаимоотношений в наноскопических квантовых двигателях является одной из основных задач, определяющих наши текущие и будущие исследования в области квантовой термодинамики».

Исследование, проведенное Кампизи, Буффони, Кукколи, Сольфанелли и Веррукки, представило совершенно новый механизм, который может обратить естественный поток тепла в обратном направлении, вмешиваясь во второй закон термодинамики, не требуя контроля обратной связи. В будущем их результаты могут иметь множество применений, например, помогающих в разработке устройств для охлаждения квантовых компьютеров.

Команда исследователей, участвующих в этом исследовании, является частью консорциума по сотрудничеству, в который входят 12 исследовательских групп мирового уровня, в том числе экспериментаторы и теоретики из восьми стран ЕС. В настоящее время они ищут ресурсы, необходимые для поддержки их работы в предстоящие годы.

«Мы рассчитываем на сотрудничество с экспериментальными группами, которые могут быть заинтересованы в создании функционирующего кулера для квантовых измерений», — сказал Кампизи. «Полное понимание и освоение энергетики квантовых систем и устройств крайне необходимо, и требует совместных международных усилий для ускорения технологического развития».

Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-quantum-fuel-cooling.html#jCp

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

meanders.ru.com © 2020

Adblock
detector