Физики открыли квантовый трюк для достижения абсолютного нуля
Состояние совершенной неподвижности, известное как абсолютный нуль, является одним из невозможных достижений Вселенной. Насколько мы можем приблизиться, законы физики всегда будут препятствовать тому, чтобы мы достигли термального дна.
Международная группа исследователей определила новый теоретический путь достижения мифической отметки нуля Кельвина, или -273,15 градуса по Цельсия, или -459,67 градуса по Фаренгейту. Нет, скорее всего, это не нарушит какие-либо законы и не удалит все до последнего мерцания тепла, но эта структура может вдохновить на новые способы исследования материи при низких температурах. Исследование опубликовано в PRX Quantum.
Как следствие третьего закона термодинамики, удаление приращений тепловой энергии от группы частиц для их охлаждения до абсолютного нуля всегда будет занимать бесконечное число шагов. Таким образом, для достижения этого требуется бесконечное количество энергии. Довольно сложная задача.
Классическая физика делает это относительно очевидным. Однако в контексте квантовой физики проблема начинает выглядеть несколько иначе.
Квантовая физика описывает частицы в соответствии с набором возможностей. Только когда свойство измерено, оно обретает конкретное состояние, и даже тогда другие качества частицы становятся немного менее определенными. Частица в теоретической точке абсолютного нуля не будет двигаться, а значит, ее положение будет определенным. Квантовые детали, касающиеся его предыдущего положения, будут эффективно стерты с удалением информации.
Введите принцип Ландауэра, который гласит, что удаление части информации требует минимального и конечного количества энергии.
Означает ли это, что все-таки существует квантовый трюк для снижения до нуля?
У парадокса есть два решения. Для совершения этого прыжка все еще может потребоваться бесконечное количество времени или энергии. Или — согласно новому исследованию — это потребует удаления бесконечной сложности.
Именно это новое открытие роли сложности представляет собой новый угол поиска пути к абсолютному нулю, даже если это практически невозможное решение, с которым ученые уже работали.
«Мы обнаружили, что можно определить квантовые системы, которые позволяют достичь абсолютного основного состояния даже при конечной энергии и за конечное время — этого никто из нас не ожидал», — говорит физик элементарных частиц Маркус Хубер из Венского технологического университета в Австрии. «Но у этих особых квантовых систем есть еще одно важное свойство: они бесконечно сложны».
То, что мы сейчас имеем, по сути является «квантовой версией» третьего закона термодинамики, которая выходит за рамки того, чему нас учит классическая физика: для достижения абсолютного нуля требуется бесконечное количество энергии, времени или сложности.
Расчеты и моделирование, проведенные командой, также показывают, что идеальное стирание данных и минимально возможная температура тесно связаны между собой и, по-видимому, недостижимы для нас, простых смертных.
Тогда возможно, что увеличение сложности систем — это еще один способ приблизиться к абсолютному нулю или, по крайней мере, двигаться быстрее.
«Если вы хотите идеально стереть квантовую информацию в квантовом компьютере и в процессе перевести кубит в совершенно чистое основное состояние, то теоретически вам понадобится бесконечно сложный квантовый компьютер, способный идеально управлять бесконечным числом частиц», — говорит Хубер.
С практической точки зрения ни одна компьютерная система никогда не бывает идеальной, поэтому идея о том, что частица в квантовом компьютере никогда не может быть полностью стерта со своими данными (или предыдущими состояниями), не должна быть камнем преткновения в развитии этих технологий.
Квантовая механика и температура тесно связаны — когда мы приближаемся к абсолютному нулю, начинают происходить странные квантовые явления — и исследователи говорят, что это еще одна область, в которой результаты этого исследования могут быть полезны в будущем.
«Именно поэтому так важно лучше понять связь между квантовой теорией и термодинамикой», — говорит Хубер. «В настоящее время в этой области наблюдается много интересного прогресса. Постепенно становится возможным увидеть, как эти две важные части физики переплетаются».
Обсудим?
Смотрите также:
