Дослідники з Інституту Néel-CNRS, Університету Сент-Луїса та Університету Рочестера реалізували двокубітовий двигун, що живиться заплутаністю і локальними вимірами. Унікальна конструкція цього двигуна, описана в статті, опублікованій в Physical Review Letters, може відкрити захоплюючі можливості для досліджень термодинаміки і послужити основою для розробки нових квантових технологій.
"Наша робота заснована на дуже простому і глибокому ефекті квантової механіки: вимірювання квантової системи порушує систему, тобто змінює її стан випадковим чином ", - кажуть вчені. "Як безпосередній наслідок, вимірювальний пристрій забезпечує квантову систему енергією та ентропією, граючи роль, подібну гарячому джерелу, що живить тепловий двигун. Помітна різниця полягає в тому, що тут паливо не теплове, а квантове ".
Кілька років тому вчені з Інституту Néel-CNRS представили доказ концепції двигуна, що працює на вимірювальному паливі, заснованого на одному кубіті. Це була перша із серії пропозицій, які виявили енергетичний аналог вимірювальних приладів.
Досі процеси вимірювання зазвичай моделювалися з використанням класичних теоретичних підходів. У своїй новій роботі дослідники зробили сміливий крок вперед, відкривши «чорну скриньку» вимірювальних приладів і подивившись на неї з точки зору квантової фізики.
«Ми спеціально розглядали можливість створення квантових кореляцій між вимірюваною системою і» квантовим вимірювачем. Ми відстежували потоки енергії та ентропії в цьому процесі, розкриваючи мікроскопічне походження вимірювального палива. Це була найважливіша мета нашої роботи ".
Таким чином, у своєму дослідженні вчені зосередилися на так званих «композитних системах». Їх аналіз в кінцевому підсумку призвів до розробки двигуна з вимірювальною потужністю, заснованого на заплутаних кубітах. На додаток до локальних вимірювань, цей двигун харчується фізичним явищем, відомим як квантова заплутаність. Заплутування відбувається, коли набір частинок взаємодіє або залишається пов'язаним таким чином, що дії, які виконуються однією, впливають на іншу, навіть якщо між ними існує значна відстань.
Новий двигун, запропонований дослідниками, має два кубіти. Кубіт - це квантова система з двома енергетичними станами: основним станом |0> і збудженим станом |1>,
«Коли кубіт вимірюється в |1>, можна детерміністично витягти з нього квант енергії, званий фотоном», - кажуть вчені. "Коли фотон вивільняється, кубіт повертається до |0> за рахунок збереження енергії. Відповідно, коли кубіт знаходиться в |0>, можна надати один фотон, щоб порушити його в стані |1>.
Дослідники експериментували з двома кубітами різних кольорів: червоним і синім. Червоний кубит обмінюється червоними фотонами, тоді як синій обмінюється синіми фотонами. Примітно, що червоний кубіт несе менше енергії, ніж синій кубіт.
Протокол, який використовують дослідники, спочатку надає червоний фотон червоному кубіту, готуючи |1a>, тоді як синій кубит дорівнює |0b>. Згодом кубіти взаємодіють, обмінюючись фотонами один з одним, заплутуючись.
"Потім ми виміряли синій кубіт. Якщо він вимірюється в |0b>, ми повертаємося у вихідний стан, і процес перезапускається. Якщо він вимірюється в |1b>, можна витягти синій фотон. Оскільки сині фотони більш енергійні, ніж червоні, ми в середньому отримуємо енергію від цього процесу. Як ми показуємо і аналізуємо, ця енергія виходить від вимірювального пристрою ".
Двигун з вимірювальною потужністю, запропонований дослідниками, заснований на складовій робочій речовині, і заплутування відіграє вирішальну роль в його механізмі заправки паливом. Дослідники змогли провести кількісну оцінку двох фізичних ресурсів, принесених квантовими вимірами, а саме інформації і палива. Крім того, вони вивчили вплив цих ресурсів на продуктивність двигуна.
«Наші результати дають нове розуміння фундаментальних енергетичних ресурсів, що діють при вимірюванні квантової системи або, що еквівалентно, при створенні квантових кореляцій між квантовою системою і квантовим вимірювачем», - кажуть вчені. "Спочатку ці результати дійсні за відсутності чітко визначеної температури, оскільки єдиним розглянутим джерелом шуму є сам вимір.
У майбутньому робота може надихнути інші команди на створення аналогічних двигунів. Крім того, робота може відкрити абсолютно нову область досліджень, яку можна було б назвати «квантовою енергетикою».
«Наші результати проливають нове світло на постулат вимірювання в квантовій механіці», - кажуть дослідники. "Оскільки цей механізм все ще живить фундаментальні дебати, можна сподіватися, що квантова енергетика надасть нові вимірювані величини для різних інтерпретацій квантової механіки. З більш прикладного боку, енергетичні сліди квантових вимірювань і заплутування вплинуть на енергетичні витрати квантових технологій і їх потенціал масштабованості.