Aunque muchas de las teorías aceptadas en la actualidad de la termodinámica clásica son anteriores incluso a la revolución industrial que ayudaron a impulsar, Quedan muchas preguntas abiertas en torno a cómo estas ideas se traducen al nivel de sistemas cuánticos únicos. En particular, el potencial de superposición de estados tiene implicaciones aún inexploradas para el comportamiento termodinámico. Ahora, una colaboración de investigadores en Japón, Ucrania y los EE. UU. han producido un dispositivo cuántico que no solo puede comportarse de manera análoga a un motor térmico y un refrigerador, pero también una superposición de ambos al mismo tiempo.

Keiji Ono, Sergey Shevchenko y Franco Nori, que comparten una afiliación con RIKEN en Japón, entre sus otras instituciones, B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering y la Universidad de Michigan — todos habían estado trabajando con qubits en diversas formas. Se reunieron para examinar el comportamiento de los qubits basados ​​en impurezas en el silicio para la interferometría cuántica antes de centrar su atención en cómo el comportamiento de estos sistemas podría parecerse a los motores térmicos clásicos.

Desafíos experimentales

Explorar la termodinámica a nivel cuántico abre algunas posibilidades intrigantes. “Uno de los temas que se discuten en este campo es la posibilidad de que los motores térmicos cuánticos superen la eficiencia de los clásicos, Shevchenko sugiere como ejemplo. Sin embargo, no está exento de desafíos, lo que significa que la mayoría de los estudios hasta ahora han sido puramente teóricos. Entre otras características, para la ingeniería cuántica, es importante tener qubits que sean "calientes, denso, y coherente, "Shevchenko le dice a Phys.org. Aquí, "caliente" significa trabajar en el régimen de pocos Kelvin, cuales, mientras todavía está bastante helado, es menos desafiante tecnológicamente que los sistemas que requieren enfriamiento a milikelvins. La desventaja es que estos sistemas calientes son más difíciles de describir y controlar, pero aquí, los investigadores pudieron explotar su gran experiencia con qubits basados ​​en silicio.

Ono, Shevchenko y Nori y sus colaboradores basaron sus estudios de termodinámica cuántica en un transistor de efecto de campo de efecto túnel hecho de impurezas densamente implantadas en silicio. Bajo voltaje de ganancia de fuente, el transporte a través de su dispositivo está dominado por la formación de túneles entre una impureza cerca de la superficie (poco profunda) y otra cercana pero más profunda dentro del material, creando un dispositivo de dos niveles de energía. El comportamiento de transporte de electrones del dispositivo da lugar a interesantes características de giro, en particular, una resonancia de espín de electrones en la que la corriente de fuente-drenaje alcanza un pico para campos magnéticos de CA y CC aplicados específicos. Desde este pico de resonancia, pudieron extraer dos escalas de tiempo características que reflejan la vida del estado excitado en la impureza y su tiempo de decoherencia. El tiempo de decoherencia define cuánto tiempo se retiene una relación de fase definida entre su función de onda y otras, lo que permite superposición e interferencia.

Además de poder conducir el dispositivo con el voltaje de la puerta para poblar los dos niveles de energía, los investigadores también pudieron ajustar la brecha entre los niveles de energía modulando la frecuencia y amplitud de los campos magnéticos. Como resultado, dependiendo de si el sistema fue conducido al estado excitado cuando el espacio era grande y relajado cuando era más pequeño o al revés, funcionaría de forma análoga a una máquina térmica o frigorífico Otto. Los interesantes efectos cuánticos ocurren cuando el período de relajación y el período de la tensión de conducción comienzan a coincidir. En este punto, muestran que la función del dispositivo puede estar en una superposición tanto del estado del motor como del refrigerador. Los cálculos teóricos de la probabilidad de excitación coincidieron perfectamente con las corrientes pico medidas.

Límites y desarrollos futuros

Existen algunas distinciones entre el funcionamiento de su dispositivo cuántico y un motor térmico o refrigerador clásico. En particular, no hay baños de calor, aunque su dispositivo está conectado a cables de voltaje más altos y más bajos, actuando como análogos eléctricos de los baños de calor. Sin embargo, Shevchenko dice:"Es sorprendente considerar la nueva posibilidad de tener una superposición cuántica de un motor minúsculo y un frigorífico minúsculo".

Mientras que el primero en reconocer que en el caso macroscópico o clásico, tal dispositivo no cubriría muchas demandas prácticas, los investigadores esperan que para los objetos cuánticos pueda introducir nuevas funcionalidades que no solo sean interesantes sino también útiles. Como otro ejemplo, Shevchenko cita el láser, que se inventó mucho antes de que las aplicaciones ahora omnipresentes se hicieran evidentes. "Creemos que nuestros resultados son científicamente interesantes, "Shevchenko le dice a Phys.org." Por el momento, estamos explorando su física básica, y [creo] que las posibles aplicaciones no están claras en este momento. Esto sucede a menudo en la ciencia ".

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