(Phys.org):durante los últimos años, Los físicos han desarrollado atajos cuánticos que aceleran el funcionamiento de los sistemas cuánticos. Asombrosamente, Teóricamente, algunos de estos atajos parecen permitir que los sistemas funcionen casi instantáneamente sin utilizar energía adicional, una clara violación de la segunda ley de la termodinámica. Aunque los físicos han sabido que algo anda mal, Hasta ahora, la solución a esta situación no ha sido clara.

Ahora en un nuevo estudio, Los físicos han demostrado que los atajos cuánticos están sujetos a un compromiso entre velocidad y costo, de modo que cuanto más rápido evoluciona un sistema cuántico, cuanto mayor sea el costo energético de implementar el atajo. De acuerdo con las leyes de la termodinámica, una velocidad infinitamente rápida sería imposible ya que requeriría una cantidad infinita de energía.

Los físicos Steve Campbell en Queen's University Belfast en el Reino Unido y en la Universidad de Milán en Italia, junto con Sebastian Deffner de la Universidad de Maryland en el condado de Baltimore en EE. UU., han publicado un artículo sobre la compensación entre costo y velocidad en atajos cuánticos en una edición reciente de Cartas de revisión física .

"Algunos métodos propuestos recientemente para controlar sistemas cuánticos, llamados atajos a la adiabaticidad (STA), parecen ser energéticamente gratis, y aún más preocupante, no había nada que decir que no pudieran lograrse en tiempos extremadamente pequeños, "Campbell dijo Phys.org . "Que algo no estaba del todo bien nos llevó a considerar más explícitamente lo que sucede cuando se aplican estas técnicas".

Para hacer esto, los científicos aplicaron el límite de velocidad cuántica, un límite superior fundamental en la velocidad a la que puede funcionar un sistema cuántico, que surge debido al principio de incertidumbre de Heisenberg. Dado que el límite de velocidad cuántica es una consecuencia de este principio fundamental, debe aplicarse a todas las STA, por lo que debería prohibirles operar en tiempos arbitrariamente cortos.

"Al calcular el límite de velocidad cuántica, Demostramos que cuanto más rápido desee manipular un sistema con una STA, cuanto mayor sea el costo termodinámico, "Campbell". Además, la manipulación instantánea es imposible ya que requeriría una energía infinita para ser puesta ".

Como explicaron los científicos, los resultados no son particularmente sorprendentes, solo algo que tomó tiempo para darse cuenta.

"Creo que este es otro caso de 'si algo parece demasiado bueno para ser verdad, normalmente es, '”, Dijo Deffner.“ Probablemente hubo un sentimiento general en la comunidad de que uno tendrá que cuantificar el costo. Fuimos los primeros en resolverlo ".

Para demostrar la utilidad de esta compensación, los físicos lo aplicaron a dos sistemas prácticos. El primero son los osciladores armónicos, que tienen una amplia gama de usos, incluso en pruebas de termodinámica cuántica. El segundo es el modelo Landau-Zener, que tiene aplicaciones en computación cuántica adiabática, como se usa en la máquina D-Wave.

En ambos modelos, la compensación coloca límites prácticos en la máxima aceleración de estos sistemas ofrecidos por las STA. Los científicos esperan que estas limitaciones ayuden a guiar el diseño y la implementación de estos y otros sistemas cuánticos en el futuro.

"También nos gustaría analizar las otras técnicas para STA que se han desarrollado, y ver si podemos encontrar compensaciones similares, ", Dijo Deffner." Otra ruta importante será generalizar nuestro trabajo a la mecánica cuántica no estándar, como los materiales Dirac y los sistemas no lineales ".

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