Más de 150 años después de que el famoso científico escocés James Clerk Maxwell presentara la idea por primera vez, el concepto del demonio de Maxwell sigue desconcertando a los físicos y científicos de la información. El demonio que soñó en un experimento mental, que podría clasificar partículas rápidas y lentas en lados separados de un recipiente, parecía violar la segunda ley de la termodinámica. Teniendo en cuenta la memoria del demonio, los físicos pudieron alinear al demonio con las leyes de la mecánica estadística para los sistemas clásicos, pero la situación se volvió polémica una vez más cuando se propusieron los motores de calor cuántico, mientras los físicos de la termodinámica y los teóricos de la información discutían sobre explicaciones viables. Los resultados recientes del modelado físico pueden unir los diferentes argumentos.

"Queríamos mostrar un vínculo entre la ciencia de la información y la termodinámica, "explica Stella Seah, un doctorado estudiante de la Universidad Nacional de Singapur. Seah trabajó con Stefan Nimmrichter y Valerio Scarani en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz y también en la Universidad Nacional de Singapur. Al modelar un sistema físico con un "demonio menor de Maxwell" que solo tiene acceso limitado al sistema, pudieron mostrar de dónde provienen los aumentos en la entropía, así como si esa entropía conduce a lo que podría describirse como calor cuántico o trabajo genuino realizado.

Disputas cuánticas

En sistemas cuánticos, las mediciones pueden cambiar el estado de un sistema, y aquí es donde entran las implicaciones para la segunda ley de la termodinámica. Si la medición es incompatible con el sistema cuántico, lo que los físicos cuánticos describirían como un hamiltoniano que no conmuta, entonces la medición introduce energía. Si este cambio de energía debe describirse como "trabajo realizado" o "calor cuántico" sigue siendo un tema espinoso. Algunos dirían que con mediciones repetidas, el calor se disipa, que la energía es pasiva y no se puede aprovechar, y que en todo caso, considerar la medida como un canal disipador que solo actúa sobre el sistema ignora erróneamente el aparato de medida.

Si bien las disputas sobre el tema a menudo ocupan dominios abstractos de la teoría de la información y abstracciones de la termodinámica, Seah, Nimmrichter y Scarani estaban interesados ​​en desarrollar un enfoque más pragmático. Consideran un sistema de un qubit en contacto con un reservorio térmico que puede promoverlo a un estado excitado. El qubit está acoplado a un puntero que cambia de posición macroscópicamente dependiendo del estado interno del qubit. Seah sugiere pensar en el puntero como un resorte, o tal vez una molécula oscilando en un pozo cuántico, donde la posición para la energía mínima cambia de posición dependiendo del estado del qubit.

El menor de dos demonios

La diferencia clave entre este sistema y los escenarios habituales que encuentran los demonios de Maxwell es que el demonio solo puede acceder a información sobre el puntero. Usando su modelo, Seah, Nimmrichter y Scarani revelaron que con este demonio menor de Maxwell, el sistema podría permitir la retroalimentación de medición, como los giros de giro de Rabi en el qubit, que se definirían como un trabajo útil. así como otros aumentos en la entropía que podrían describirse como calentamiento cuántico.

El modelo parece hacer avances significativos en un argumento que se ha librado durante décadas, pero Seah dice que no le sorprendió mucho llegar a este resultado. "Lo que sí me sorprendió fue cuando descubrimos que si usa un puntero macroscópico, obtienes un comportamiento diferente de un puntero microscópico ". Ella explica que usar un segundo qubit para actuar como puntero en el modelo conduce al comportamiento termodinámico familiar de un ciclo Otto (que describe cómo funcionaron algunos de los primeros motores mecánicos de la revolución industrial Es solo cuando los cambios de posición del puntero son mucho más altos que las fluctuaciones térmicas que la medición aumenta la entropía de una manera que se definiría como trabajo realizado. no es necesario realizar trazos distintos como en un motor térmico clásico. "Puede realizar las mediciones de forma aleatoria y todo sucede de forma continua, agradable y sin problemas, "dice Seah.

Próximo, ella está interesada en considerar qué sucede para estados específicos (donde podría haber entrelazamiento o suposición) y si podría haber alguna ventaja cuántica allí.

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