Entropía reducida en un entramado tridimensional de superenfriado, Los átomos atrapados por láser podrían ayudar a acelerar el progreso hacia la creación de computadoras cuánticas. Un equipo de investigadores de Penn State puede reorganizar una matriz de átomos distribuida aleatoriamente en bloques perfectamente organizados, desempeñando así la función de un "demonio de Maxwell", un experimento mental de la década de 1870 que desafió la segunda ley de la termodinámica. Los bloques organizados de átomos podrían formar la base de una computadora cuántica que utiliza átomos sin carga para codificar datos y realizar cálculos. Un artículo que describe la investigación aparece el 6 de septiembre de 2018 en la revista Naturaleza .

"Las computadoras tradicionales usan transistores para codificar datos como bits que pueden estar en uno de dos estados:cero o uno, "dijo David Weiss, profesor de física en Penn State y líder del equipo de investigación. "Estamos ideando computadoras cuánticas que usan átomos como 'bits cuánticos' o 'qubits' que pueden codificar datos basados ​​en fenómenos mecánicos cuánticos que les permiten estar en múltiples estados simultáneamente. Organizar los átomos en una cuadrícula tridimensional empaquetada nos permite encajan muchos átomos en un área pequeña y hace que el cálculo sea más fácil y eficiente ".

La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía —a veces considerada como un desorden— de un sistema no puede disminuir con el tiempo. Una de las consecuencias de esta ley es que excluye la posibilidad de un dispositivo de movimiento perpetuo. Alrededor de 1870, James Clerk Maxwell propuso un experimento mental en el que un demonio podía abrir y cerrar una puerta entre dos cámaras de gas, permitiendo que los átomos más cálidos pasen en una dirección y los átomos más fríos en la otra. Esta clasificación, que no requirió aporte de energía, daría como resultado una reducción de la entropía en el sistema y una diferencia de temperatura entre las dos cámaras que podría usarse como bomba de calor para realizar el trabajo, violando así la segunda ley.

"El trabajo posterior ha demostrado que el demonio en realidad no viola la segunda ley y, posteriormente, ha habido muchos intentos de idear sistemas experimentales que se comporten como el demonio, ", dijo Weiss." Ha habido algunos éxitos a escalas muy pequeñas, pero hemos creado un sistema en el que podemos manipular una gran cantidad de átomos, organizarlos de una manera que reduzca la entropía del sistema, como el demonio ".

Los investigadores utilizan láseres para atrapar y enfriar átomos en una red tridimensional con 125 posiciones dispuestas como un cubo de 5 por 5 por 5. Luego, llenan aleatoriamente aproximadamente la mitad de las posiciones en la red con átomos. Al ajustar la polarización de las trampas láser, los investigadores pueden mover átomos individualmente o en grupos, reorganizar los átomos distribuidos aleatoriamente para llenar completamente 5 por 5 por 2 o 4 por 4 por 3 subconjuntos de la red.

"Debido a que los átomos se enfrían a una temperatura casi tan baja como sea posible, la entropía del sistema está casi enteramente definida por la configuración aleatoria de los átomos dentro de la red, ", dijo Weiss." En sistemas donde los átomos no están superenfriados, la vibración de los átomos constituye la mayor parte de la entropía del sistema. En tal sistema, organizar los átomos hace poco para cambiar la entropía, pero en nuestro experimento, mostramos que la organización de los átomos reduce la entropía dentro del sistema en un factor de aproximadamente 2,4 ".