Investigadores de la Universidad de Florencia y del Istituto dei Sistemi Complessi, en Italia, Recientemente han demostrado que la capacidad de invasión de las mediciones cuánticas no siempre puede ser perjudicial. En un estudio publicado en Cartas de revisión física , demostraron que esta cualidad invasiva realmente se puede explotar, utilizando medidas cuánticas para alimentar un motor de refrigeración.

Michele Campisi, uno de los investigadores involucrados en el estudio, ha estado estudiando los fenómenos cuánticos durante varios años. En su trabajo reciente, investigó si los fenómenos cuánticos pueden afectar la termodinámica de los dispositivos nanoscópicos, como los empleados en las computadoras cuánticas.

"La mayoría de los colegas en el campo estaban observando la coherencia y el entrelazamiento, mientras que solo unos pocos estaban observando otro fenómeno cuántico genuino, es decir., el proceso de medición cuántica, "Campisi dijo a Phys.org." Esos estudios sugirieron que es necesario acompañar las mediciones con control de retroalimentación, como en el demonio de Maxwell, para aprovechar su potencial. Comencé a pensar en eso, y eureka, dado que las mediciones cuánticas son muy invasivas, van acompañadas de intercambios de energía, por lo tanto, se puede utilizar para impulsar motores sin la necesidad de realizar un control de retroalimentación ".

La segunda ley de la termodinámica establece que el calor fluye naturalmente de los cuerpos calientes a los fríos. Estudios anteriores encontraron que hay dos formas de revertir este flujo natural de calor:utilizando trabajo proporcionado por un externo, fuerza impulsora dependiente del tiempo o mediante la implementación de un demonio de Maxwell, que dirige el calor a través de un circuito de control de retroalimentación.

En su estudio, Campisi y sus colegas demostraron que existe, De hecho, un tercer método para invertir el flujo de calor, que se basa en la mecánica cuántica. Esta técnica implica el uso de mediciones cuánticas invasivas como combustible que alimenta la refrigeración, sin ningún control de retroalimentación. Los investigadores se refieren a este mecanismo como enfriamiento de medición cuántica (QMC).

"El marco matemático general es la mecánica cuántica estándar, pero tuvimos que usar una combinación de métodos numéricos y analíticos avanzados para investigar todas las facetas del enfriamiento de la medición cuántica, "Lorenzo Buffoni, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Por ejemplo, Para evaluar su robustez al ruido experimental, utilizamos un muestreo extenso de Monte Carlo del espacio de alta dimensión de posibles proyectores de medición, y utilizó técnicas de aprendizaje automático para analizar y visualizar los datos ".

Campisi y sus colegas ilustraron QMC mediante un prototipo de motor de dos tiempos y dos qubit. Este motor interactúa con el aparato de medición empleado por los investigadores, así como con dos depósitos de calor ajustados a diferentes temperaturas.

"También nos embarcamos en la tarea de encontrar el rendimiento termodinámico óptimo mediante métodos analíticos, que fue muy desafiante, "Andrea Sofanelli, otro investigador que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Empleamos el teorema de Birkhoff para expresar la llamada matriz de transición (que contiene toda la información relevante sobre los intercambios de energía en nuestro problema) en términos de permutaciones, lo que simplificó el problema. Pero nos quedamos atrapados en eso hasta que encontramos un teorema poco conocido de álgebra lineal que se remonta a principios de la década de 1990, lo que finalmente condujo a la solución ".

Campisi, Buffoni, Cucoli, Solfanelli y su colega Paola Verrucchi demostraron que la invasividad de las mediciones cuánticas se puede utilizar para alimentar un motor de enfriamiento a través del mecanismo QMC que han informado. QMC no requiere control de retroalimentación, pero el enredo debe estar presente en los proyectores de medición.

Los investigadores calcularon la probabilidad de que ocurra QMC cuando la base de medición se selecciona al azar. Descubrieron que esta probabilidad puede ser muy grande en comparación con la probabilidad de extraer energía (es decir, hacer funcionar el motor térmico), sin embargo, es menor que la probabilidad de la operación menos importante (es decir, descarga de calor en ambos baños).

"Demostrar que medir un sistema cuántico hecho por dos qubits puede producir por sí mismo (es decir, sin control de retroalimentación) efectos termodinámicos útiles seguramente representa el resultado más significativo de nuestra investigación, "Alessandro Cuccoli, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Esto se desprende de observar el proceso de medición cuántica desde una perspectiva más amplia, donde tanto el sistema como su entorno, y los intercambios de energía que acompañan a la medición, son considerados."

Según Cuccoli, El motor térmico de dos quibits desarrollado por los investigadores podría diseñarse fácilmente para funcionar como un dispositivo de enfriamiento. Esto sería, entre otras cosas, Permitir que la fabricación de las unidades de procesamiento de una computadora cuántica se integre con dispositivos auxiliares que puedan mantenerlas a la baja temperatura requerida, ya que ambos se pueden lograr usando qubits.

"Otra observación esclarecedora es que para obtener efectos termodinámicos útiles, el proceso de medición tiene que involucrar estados 'entrelazados', es decir, estados peculiarmente correlacionados cuánticamente de los dos qubits, revelando así la íntima conexión entre la información y los intercambios de energía, ", Agregó Cuccoli." Profundizar nuestra comprensión de dicha relación en los motores cuánticos nanoscópicos es uno de los principales desafíos que impulsa nuestra investigación actual y futura en el campo de la termodinámica cuántica ".

El estudio realizado por Campisi, Buffoni, Cucoli, Solfanelli y Verrucchi introdujeron un mecanismo completamente nuevo que puede revertir el flujo natural de calor, interviniendo con la segunda ley de la termodinámica, sin requisitos de control de retroalimentación. En el futuro, sus hallazgos podrían tener muchas aplicaciones, por ejemplo, ayudando al desarrollo de dispositivos para enfriar computadoras cuánticas.

El equipo de investigadores involucrados en este estudio es parte de un consorcio de colaboración que involucra a 12 grupos de investigación de clase mundial, incluyendo experimentales y teóricos de ocho E.U. países. Actualmente están buscando los recursos necesarios para apoyar su trabajo en los próximos años.

"Esperamos colaborar con grupos experimentales que podrían estar interesados ​​en construir un enfriador de medición cuántica que funcione," "Campisi dijo." Se necesita con urgencia la comprensión y el dominio completos de la energía de los sistemas y dispositivos cuánticos, y pide un esfuerzo internacional conjunto para acelerar el desarrollo tecnológico ".

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