Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú, ETH Zúrich, y Laboratorio Nacional Argonne, NOSOTROS, han descrito un demonio cuántico extendido de Maxwell, un dispositivo que viola localmente la segunda ley de la termodinámica en un sistema ubicado entre uno y cinco metros del demonio. El dispositivo podría encontrar aplicaciones en computadoras cuánticas y refrigeradores microscópicos que enfrían objetos diminutos con una precisión milimétrica. La investigación fue publicada el 4 de diciembre en Revisión física B .

La segunda ley de la termodinámica dice que en un sistema aislado, entropía el grado de desorden o aleatoriedad, nunca disminuye.

"Nuestro demonio hace que un dispositivo llamado qubit pase a un estado más ordenado, "explicó el autor principal del estudio, Andrey Lebedev de MIPT y ETH Zurich. "En tono rimbombante, el demonio no altera la energía del qubit y actúa a una distancia enorme para la mecánica cuántica ".

Todos los demonios cuánticos de Maxwell descritos o creados hasta ahora por los autores u otros investigadores han tenido un rango de acción muy limitado:estaban situados cerca del objeto sobre el que operaban.

Debido a que el demonio debe "inicializarse, "o preparado, antes de cada interacción con el qubit, algo de energía se gasta inevitablemente en la ubicación del demonio. Esto significa que a nivel mundial, la segunda ley aún se mantiene.

'Pureza' demoníaca

El estudio propone que el qubit se implemente como un átomo artificial superconductor, un dispositivo microscópico como el que los investigadores propusieron previamente para su uso como magnetómetro cuántico. Tal qubit estaría hecho de películas delgadas de aluminio depositadas sobre un chip de silicio. La razón por la que este sistema se llama átomo artificial es que a temperaturas cercanas al cero absoluto, se comporta como un átomo con dos estados básicos:el suelo y los estados excitados.

Un qubit puede exhibir simultáneamente estados mixtos "puros" e "impuros". Si un qubit está en uno de los dos estados básicos, pero no se sabe con certeza cuál, su estado se denomina "impuro". Si ese es el caso, se puede calcular una probabilidad clásica de encontrar el átomo artificial en uno de los dos estados.

Sin embargo, como un átomo real, el qubit puede estar en una superposición cuántica del suelo y los estados excitados. Una superposición cuántica es un estado especial que no se puede reducir a ninguno de los estados básicos. Este llamado estado puro, que desafía la noción clásica de probabilidad, está asociado con más orden, y por lo tanto menos entropía. Solo puede existir por una fracción de segundo antes de degenerar nuevamente en un estado impuro.

El demonio descrito en el artículo es otro qubit conectado al primero por un cable coaxial que transporta señales de microondas. Una consecuencia del principio de incertidumbre de Heisenberg es que una vez conectados por una línea de transmisión, los qubits comienzan a intercambiar fotones virtuales, porciones de radiación de microondas. Este intercambio de fotones permite a los qubits intercambiar sus estados.

Si un estado puro es inducido artificialmente en el demonio, luego puede intercambiar estados con el qubit objetivo, dotándolo de "pureza" a cambio de un estado impuro de la misma energía. Purificando el qubit objetivo, su entropía se reduce pero su energía no se ve afectada. El resultado es que el demonio canaliza la entropía lejos de un sistema aislado en términos de energía, a saber, el qubit objetivo. Esto da como resultado la aparente violación de la segunda ley si el qubit objetivo se considera localmente.

Nanorefrigerador cuántico

Ser capaz de purificar un qubit objetivo a una distancia macroscópica es importante desde un punto de vista práctico. A diferencia del estado impuro, el puro puede cambiarse al suelo o al estado excitado de una manera relativamente sencilla y predecible utilizando un campo electromagnético. Esta operación puede ser útil en una computadora cuántica, cuyos qubits deben cambiarse al estado fundamental en el lanzamiento. Hacer esto desde la distancia es importante, ya que la presencia de un demonio cerca de la computadora cuántica afectaría a esta última de manera adversa.

Otra posible aplicación del demonio tiene que ver con lo siguiente:cambiar el qubit objetivo al estado puro y posteriormente al estado fundamental hace que su entorno inmediato sea un poco más frío. Esto convierte el sistema propuesto en un refrigerador nanométrico capaz de enfriar partes de moléculas con una precisión milimétrica.

"Un frigorífico convencional enfría todo su volumen, mientras que el qubit 'nanorrefrigerador' apuntaría a un lugar en particular. Esto bien podría ser más efectivo en algunos casos, "explicó el coautor del artículo, Gordey Lesovik, quien dirige el Laboratorio de Física de la Tecnología de la Información Cuántica del MIPT. "Por ejemplo, podría implementar lo que se conoce como enfriamiento algorítmico. Esto implicaría proporcionar el código de un primario, Programa 'cuántico' con un subprograma diseñado para enfriar específicamente los qubits más calientes.

"Otro giro es que con cualquier 'máquina de calor, 'puedes ejecutarlo en reversa, convertir un motor térmico en un refrigerador o viceversa, "añadió el físico." Esto nos lleva a un calentador altamente selectivo, así como. Encenderlo, cambiaríamos el qubit objetivo al estado excitado en lugar de al estado fundamental, haciendo que el paradero del qubit sea más caliente ".

Este ciclo de enfriamiento o calentamiento se puede ejecutar repetidamente, dado que el qubit objetivo conserva su estado puro durante un breve período de tiempo, después de lo cual entra en estado impuro, consumiendo o emitiendo la energía térmica del medio ambiente. Con cada iteración, la ubicación del qubit se vuelve progresivamente más fría o más cálida, respectivamente.

Además del alcance del demonio, los autores han estimado la temperatura máxima del cable coaxial que corre entre los qubits. Por encima de esta temperatura, las propiedades cuánticas del sistema se pierden y el demonio ya no funciona. Aunque la temperatura del cable no puede superar unos pocos grados por encima del cero absoluto, sin embargo, esto es aproximadamente 100 veces más caliente que la temperatura de trabajo de los qubits. Esto facilita considerablemente la implementación experimental de la configuración propuesta.

El equipo ya está trabajando en la implementación del experimento.