Znížená entropia v trojrozmernej mriežke super-chladených, laserom zachytených atómov môže pomôcť urýchliť pokrok smerom k vytváraniu kvantových počítačov. Tím výskumníkov z Penn State dokáže preusporiadať štruktúru náhodne rozloženého množstva atómov do úhľadne usporiadaných blokov, čím sa vykonáva funkcia "Maxwellovho démona" - myšlienkového experimentu spred takmer 150 rokov, ktorý vyzýva platnosť druhého termodynamického zákona.
Organizované bloky atómov by mohli tvoriť základ pre kvantový počítač, ktorý používa nenabité atómy na kódovanie údajov a vykonávanie výpočtov. Článok popisujúci výskum sa objaví 6. septembra 2018 v časopise Nature.
"Tradičné počítače používajú tranzistory na zakódovanie dát ako bitov, ktoré môžu byť v jednom z dvoch stavov - nula alebo jedna," povedal David Weiss, profesor fyziky na Penn State a vedúci výskumného tímu. "Vyvíjame kvantové počítače, ktoré používajú atómy ako" kvantové bity "alebo" qubity", ktoré dokážu kódovať dáta založené na kvantovo-mechanických javoch, ktoré im umožnia byť súčasne vo viacerých stavoch. Usporiadanie atómov do uzavretej 3D mriežky nám umožňuje uložiť veľa atómov do malej oblasti a urobiť výpočet jednoduchším a efektívnejším."
Druhý zákon termodynamiky hovorí, že entropia - niekedy myslená ako porucha - systému nemôže s časom klesať. Jedným z dôsledkov tohto zákona je to, že vylučuje možnosť zostrojenia perpetum mobile (zariadenia s perpetuálnym-stálym-večným pohybom). Niekedy okolo roku 1870 James Clerk Maxwell navrhol myšlienkový experiment, v ktorom démon mohol otvoriť a zatvoriť bránu medzi dvomi plynovými komorami, umožňujúc, aby teplejšie atómy prechádzali jedným smerom a chladnejšie atómy prechádzali v druhom smere. Toto triedenie, ktoré nevyžadovalo žiadny vstup energie, by viedlo k zníženiu entropie v systéme a teplotnému rozdielu medzi obidvoma komorami, ktoré by mohli byť použité ako tepelné čerpadlo na vykonávanie práce, čím by sa porušil druhý termodynamický zákon.
Znižovanie entropie v náhodne vyplnenej mriežke 5x5x5 atómov. Každý stĺpec ukazuje záber 5 rovín mriežky. Hore sú počiatočné náhodné distribúcie atómov na 125 možných pozíciách. Druhý riadok ukazuje usporiadania po prvom preorganizovaní a tretí riadok po druhom preorganizovaní. V ten moment je cieľová podmriežka 5x5x2 kompletne zaplnená. tento proces redukuje entropiu v systéme o faktor 2.4. Credit: Weiss Laboratory, Penn State
"Neskoršie výsledky ukázali, že démon v skutočnosti druhý termodynamický zákon neporušuje a následne sa mnohí pokúsili vyvinúť experimentálne systémy, ktoré sa správajú ako démon," povedal Weiss. "Prišli niektoré úspechy vo veľmi malých mierkach, ale my sme vytvorili systém, v ktorom môžeme manipulovať s veľkým počtom atómov, organizovať ich spôsobom, ktorý znižuje entropiu systému rovnako ako démon."
Výskumníci používajú lasery na zachytávanie a chladenie atómov v trojrozmernej mriežke so 125 pozíciami usporiadanými ako kocka 5 x 5 x 5. Potom náhodne vyplnia asi polovicu pozícií v mriežke atómami. Upravením polarizácie laserových pascí môžu výskumníci presunúť atómy jednotlivo alebo v skupinách, reorganizovať náhodne rozložené atómy tak, aby alebo úplne vyplnili podmnožiny mriežky 5 x 5 x 2 alebo 4 x 4 x 3.
"Keďže atómy sú ochladené na tak nízku teplotu ako sa len dá, entropia systému je takmer úplne definovaná náhodnou konfiguráciou atómov v mriežke," povedal Weiss. "V systémoch, kde atómy nie sú super chladené, vibrácie atómov tvoria väčšinu entropie systému. V takomto systéme organizácia atómov nemá na zmenu entropie veľký vplyv, ale v našom experimente dokazujeme, že organizovanie atómov znižuje entropiu v systéme o faktor približne 2,4."
Okrem Weissa výskumný tím v Penn State zahŕňa Aishwarya Kumara, Tsung-Yao Wua a Felipe Giraldo Mejiu. Výskum bol financovaný americkou U.S. National Science Foundation.
Zdroj: news.psu.edu
tatkotom
Pjetro de
Pjetro de
Pjetro de