Investigadores del Institut Néel-CNRS, La Universidad de Saint Louis y la Universidad de Rochester se dieron cuenta recientemente de un motor de dos qubits alimentado por entrelazamientos y mediciones locales. El diseño único de este motor, esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , podría abrir interesantes posibilidades para la investigación en termodinámica e informar el desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas.

"Nuestro artículo se basa en un efecto muy simple y profundo de la mecánica cuántica:medir un sistema cuántico perturba el sistema, es decir., cambia su estado de forma aleatoria, "Alexia Auffèves, uno de los investigadores que realizó el estudio, dicho Phys.org . "Como consecuencia inmediata, el dispositivo de medición proporciona energía y entropía al sistema cuántico, desempeñando un papel similar a una fuente caliente que alimenta un motor térmico. La diferencia notable es que aquí, el combustible no es térmico, pero cuántica ".

Hace unos pocos años, Auffèves y algunos de sus colegas del Institut Néel-CNRS presentaron la prueba de concepto para un motor de medición basado en un solo qubit. Esta fue la primera de una serie de propuestas que revelaron la contraparte energética de los dispositivos de medición.

Hasta aquí, Los procesos de medición se modelaron típicamente utilizando enfoques teóricos clásicos. En su nuevo periódico, los investigadores dieron un paso adelante audaz al abrir "la caja negra" de los dispositivos de medición y mirarla desde una perspectiva de física cuántica.

"Consideramos específicamente la creación de correlaciones cuánticas entre el sistema a medir y un 'metro cuántico, ", Dijo Auffeves." Seguimos los flujos de energía y entropía a lo largo de este proceso, revelando el origen microscópico del combustible de medición. Este fue el objetivo más importante de nuestro trabajo ".

En su estudio, Auffeves y sus colegas se enfocaron en los llamados 'sistemas compuestos'. Su análisis finalmente condujo al diseño de un motor de medición basado en qubits entrelazados. Además de las mediciones locales, este motor está alimentado por un fenómeno físico conocido como entrelazamiento cuántico. El enredo ocurre cuando un conjunto de partículas interactúan o permanecen conectadas de manera que las acciones realizadas por una afectan a la otra, incluso si hay una distancia significativa entre ellos.

El nuevo motor propuesto por los investigadores tiene dos qubits. Un qubit es un sistema cuántico con dos estados de energía:el estado fundamental | 0> y el estado excitado | 1> ,

"Cuando se mide un qubit en | 1> , uno puede extraer determinísticamente un cuanto de energía de él, apodado un fotón, ", Dijo Auffèves." Cuando se libera el fotón, el qubit ha vuelto a | 0> por conservación de energía. Respectivamente, cuando el qubit está en | 0> , se puede proporcionar un fotón para excitarlo en el | 1> estado."

Auffèves y sus colegas jugaron con dos qubits de diferentes colores:uno rojo y uno azul. El qubit rojo intercambia fotones rojos, mientras que el azul intercambia fotones azules. Notablemente, el qubit rojo lleva menos energía que el qubit azul.

El protocolo utilizado por los investigadores inicialmente proporciona un fotón rojo al qubit rojo, preparando | 1 _a > mientras que el qubit azul es | 0 _B > . Después, los qubits interactúan intercambiando fotones entre sí, enredarse.

"Luego medimos el qubit azul, "Dijo Auffeves." Si se mide en | 0 _B > volvemos al estado inicial, y el proceso se reinicia. Si se mide en | 1 _B > se puede extraer un fotón azul. Dado que los fotones azules son más energéticos que los rojos, uno gana energía del proceso en promedio. Como mostramos y analizamos, esta energía proviene del dispositivo de medición ".

El motor de medición propuesto por Auffèves y sus colegas se basa en una sustancia de trabajo compuesta, y el enredo juega un papel crucial en su mecanismo de alimentación. Los investigadores pudieron realizar una evaluación cuantitativa de los dos recursos físicos aportados por la medición cuántica, a saber, información y combustible. Además, examinaron los efectos de estos recursos en el rendimiento del motor.

"Nuestros hallazgos proporcionan nuevos conocimientos sobre los recursos energéticos fundamentales en juego cuando se mide un sistema cuántico, o equivalente, cuando se crean correlaciones cuánticas entre un sistema cuántico y un medidor cuántico, "Auffèves dijo." Originalmente, estos resultados son válidos en ausencia de una temperatura bien definida, ya que la única fuente de ruido considerada es la propia medición ".

Auffèves y sus colegas fueron de los primeros en extender los motores de medición a sustancias de trabajo compuestas y en ofrecer una interpretación microscópica del mecanismo de abastecimiento de combustible. Sus hallazgos podrían ayudar a extender conceptos relacionados con la termodinámica a fuentes cuánticas de ruido, como los que pueden aparecer dentro de un criostato.

En el futuro, El trabajo de los investigadores podría inspirar a otros equipos a realizar motores similares. Además, su estudio podría abrir un campo de investigación completamente nuevo, lo que sugieren podría llamarse "energía cuántica".

"Nuestros resultados arrojan nueva luz sobre el postulado de medición en mecánica cuántica, ", Dijo Auffèves." Dado que este mecanismo todavía alimenta los debates fundamentales, uno puede esperar que la energía cuántica proporcione nuevas cantidades mensurables para distinguir entre las diversas interpretaciones de la mecánica cuántica. En un lado más aplicado, las huellas energéticas de la medición cuántica y el entrelazamiento tendrán un impacto en el costo energético de las tecnologías cuánticas y su potencial de escalabilidad ".

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