En física, Es esencial poder mostrar un supuesto teórico en condiciones reales, experimentos físicos. Durante más de cien años, Los físicos han sido conscientes del vínculo entre los conceptos de desorden en un sistema, e información obtenida por medición. Sin embargo, una evaluación experimental limpia de este enlace en sistemas monitorizados comunes, es decir, sistemas que se miden continuamente a lo largo del tiempo, faltaba hasta ahora.

Pero ahora, usando un "tambor cuántico, "una vibración, membrana mecánica, investigadores del Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague, han realizado una configuración experimental que muestra la interacción física entre el trastorno y los resultados de una medición. Más importante, Estos resultados permiten extraer orden del sistema en gran parte desordenado, proporcionar una herramienta general para diseñar el estado del sistema, esencial para las futuras tecnologías cuánticas, como las computadoras cuánticas. El resultado ahora se publica como una sugerencia de los editores en Cartas de revisión física .

Las mediciones siempre introducirán un nivel de perturbación de cualquier sistema que mida. En lo ordinario mundo físico, esto generalmente no es relevante, porque es perfectamente posible para nosotros medir, decir, la longitud de una mesa sin notar esa perturbación. Pero en la escala cuántica, como los movimientos de las membranas utilizadas en el laboratorio Schliesser del Instituto Niels Bohr, las consecuencias de la perturbación provocada por las mediciones son enormes. Estas grandes perturbaciones aumentan la entropía, o desorden, del sistema subyacente, y aparentemente impiden extraer cualquier orden de la medición. Pero antes de explicar cómo el experimento reciente se dio cuenta de esto, los conceptos de entropía y termodinámica necesitan algunas palabras.

Romper un huevo es termodinámica

La ley de la termodinámica cubre procesos extremadamente complicados. El ejemplo clásico es que si un huevo se cae de una mesa, se rompe en el suelo. En la colisión se produce calor, entre muchos otros procesos físicos, y si imagina que podría controlar todos estos procesos complicados, no hay nada en las leyes físicas que diga que no se puede revertir el proceso. En otras palabras, el huevo podría realmente ensamblarse y volar de nuevo a la superficie de la mesa, si pudiéramos controlar el comportamiento de cada átomo, e invertir el proceso. Teóricamente es posible.

También puede pensar en un huevo como un sistema ordenado, y si se rompe se vuelve extremadamente desordenado. Los físicos dicen que la entropía, la cantidad de desorden, ha aumentado. Las leyes de la termodinámica nos dicen que el trastorno, de hecho, siempre aumentará, no al revés:por lo que los huevos no suelen saltar del suelo, ensamblar y aterrizar en las mesas en el mundo real.

Las lecturas correctas del sistema cuántico son esenciales y muy difíciles de obtener.

Si pasamos a la mecánica cuántica, el mundo se ve bastante diferente, y sin embargo lo mismo. Si medimos continuamente el desplazamiento de una mecánica, sistema en movimiento como el "tambor de membrana" (ilustración 1) con una precisión sólo limitada por las leyes cuánticas, esta medida perturba profundamente el movimiento. Por lo tanto, terminará midiendo un desplazamiento que se altera durante el proceso de medición en sí, y la lectura del desplazamiento original se estropeará, a menos que también pueda medir el desorden introducido.

En este caso, puede utilizar la información sobre el desorden para reducir la entropía producida por la medición y generar un orden a partir de ella, comparable a controlar el desorden en el sistema de huevos destrozados. Pero esta vez también tenemos la información sobre el desplazamiento, así que hemos aprendido algo sobre todo el sistema a lo largo del camino, y, crucialmente, tenemos acceso a la vibración original de la membrana, es decir, la lectura correcta.

Un marco generalizado para comprender la entropía en sistemas cuánticos

"La conexión entre la termodinámica y las mediciones cuánticas se conoce desde hace más de un siglo. Sin embargo, hasta ahora faltaba una evaluación experimental de este vínculo, en el contexto de mediciones continuas. Eso es exactamente lo que hemos hecho con este experimento. Es absolutamente esencial que entendamos cómo las mediciones producen entropía y desorden en los sistemas cuánticos, y cómo lo usamos para tener control sobre las lecturas que tendremos en el futuro de, decir, un sistema cuántico como una computadora cuántica.

Si no podemos controlar las perturbaciones, básicamente no podremos entender las lecturas, y las lecturas de la computadora cuántica serán ilegibles, e inútil, por supuesto, "dice Massimiliano Rossi, Doctor. estudiante y primer autor del artículo científico. "Este marco es importante para crear una base básica generalizada para nuestra comprensión de los sistemas productores de entropía en la escala cuántica. Eso es básicamente donde este estudio encaja en la escala más amplia de las cosas en la física".