Pesquisadores do Institut Néel-CNRS, da Universidade de Saint Louis e da Universidade de Rochester perceberam recentemente um motor de dois qubit alimentado por emaranhamento e medições locais. O design exclusivo deste motor, descrito em um artigo publicado na Physical Review Letters , pode abrir possibilidades empolgantes para a pesquisa em termodinâmica e informar o desenvolvimento de novas tecnologias quânticas.

"Nosso papel é baseado em um efeito muito simples e profunda da mecânica quântica: Medindo um sistema quântico distúrbios do sistema, ou seja, muda seu estado de forma aleatória", Alexia Auffèves, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse. "Como consequência imediata, o dispositivo de medição fornece energia e entropia ao sistema quântico, desempenhando um papel semelhante a uma fonte quente alimentando um motor térmico . A diferença notável é que aqui o combustível não é térmico, mas quântico."

Há alguns anos, Auffèves e alguns de seus colegas do Institut Néel-CNRS apresentaram a prova de conceito para um motor alimentado por medição baseado em um único qubit . Esta foi a primeira de uma série de propostas que revelaram a contrapartida energética dos dispositivos de medição.

Até agora, os processos de medição eram tipicamente modelados usando abordagens teóricas clássicas. Em seu novo artigo, os pesquisadores deram um passo ousado em frente ao abrir a 'caixa preta' dos dispositivos de medição e examiná-la de uma perspectiva da física quântica.

"Consideramos especificamente a criação de correlações quânticas entre o sistema a ser medido e um 'medidor quântico'", disse Auffeves. "Rastreamos os fluxos de energia e entropia ao longo desse processo, revelando a origem microscópica do combustível de medição. Esse era o objetivo mais importante do nosso trabalho."

Em seu estudo, Auffeves e seus colegas focaram nos chamados 'sistemas compostos ". A análise deles levou ao projeto de um motor movido a medição baseado em qubits emaranhados. Além das medições locais, esse motor é alimentado por um motor físico fenômeno conhecido como emaranhamento quântico . O emaranhamento ocorre quando um conjunto de partículas interage ou permanece conectado de tal forma que as ações realizadas por uma afetam a outra, mesmo que haja uma distância significativa entre elas.

O novo motor proposto pelos pesquisadores possui dois qubits. Um qubit é um sistema quântico com dois estados de energia: o estado fundamental | 0> e o estado excitado | 1>,

"Quando um qubit é medido em | 1>, pode-se extrair deterministicamente um quantum de energia dele, chamado de fóton ", disse Auffèves. "Quando o fóton é liberado, o qubit volta a | 0> por conservação de energia. Respectivamente, quando o qubit está em | 0>, pode-se fornecer um fóton para excitá-lo no estado | 1>."

Auffèves e seus colegas jogaram com dois qubits de cores diferentes: um vermelho e um azul. O qubit vermelho troca fótons vermelhos, enquanto o azul troca fótons azuis. Notavelmente, o qubit vermelho carrega menos energia do que o qubit azul.

O protocolo usado pelos pesquisadores inicialmente fornece um fóton vermelho ao qubit vermelho, preparando | 1 a > enquanto o qubit azul é | 0 b >. Posteriormente, os qubits interagem trocando fótons entre si, tornando-se emaranhados.

"Em seguida, medimos o qubit azul", disse Auffeves. "Se for medido em | 0 b >, voltamos ao estado inicial e o processo é reiniciado. Se for medido em | 1 b > um fóton azul pode ser extraído. Como os fótons azuis são mais energéticos do que os vermelhos, um ganha energia do processo em média. Conforme mostramos e analisamos, essa energia vem do medidor. "

O motor movido a medição proposto por Auffèves e seus colegas depende de uma substância de trabalho composta, e o emaranhamento desempenha um papel crucial em seu mecanismo de abastecimento. Os pesquisadores puderam realizar uma avaliação quantitativa dos dois recursos físicos trazidos pela medição quântica, a saber, informação e combustível. Além disso, eles examinaram os efeitos desses recursos no desempenho do motor.

"Nossas descobertas fornecem novos insights sobre os recursos energéticos fundamentais em jogo quando um sistema quântico é medido, ou equivalentemente, quando correlações quânticas são criadas entre um sistema quântico e um medidor quântico", disse Auffèves. "Originalmente, esses resultados são válidos na ausência de uma temperatura bem definida, pois a única fonte de ruído considerada é a própria medição."

Auffèves e seus colegas foram os primeiros a estender os motores movidos a medição para substâncias de trabalho compostas e a oferecer uma interpretação microscópica do mecanismo de abastecimento. Suas descobertas podem ajudar a estender conceitos relacionados à termodinâmica para fontes quânticas de ruído, como aquelas que podem aparecer dentro de um criostato.

No futuro, o trabalho dos pesquisadores pode inspirar outras equipes a criar motores semelhantes. Além disso, seu estudo poderia abrir um campo inteiramente novo de pesquisa, que eles sugerem que poderia ser chamado de "energética quântica".

"Nossos resultados lançam uma nova luz sobre o postulado de medição na mecânica quântica", disse Auffèves. "Uma vez que esse mecanismo ainda alimenta debates fundamentais, pode-se esperar que a energia quântica forneça novas quantidades mensuráveis ​​para distinguir entre as várias interpretações da mecânica quântica. De um lado mais aplicado, as pegadas energéticas da medição quântica e do emaranhamento terão um impacto na energia custo das tecnologias quânticas e seu potencial de escalabilidade. "