MaisConhecer - Um motor de dois qubit alimentado por emaranhamento e medições locais

Um motor de dois qubit alimentado por emaranhamento e medições locais

Crédito: Bresque et al.

Pesquisadores do Institut Nanãel-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 termodina¢mica e informar o desenvolvimento de novas tecnologias qua¢nticas.

"Nosso papel ébaseado em um efeito muito simples e profunda da meca¢nica qua¢ntica: Medindo um sistema qua¢ntico distúrbios do sistema, ou seja, muda seu estado de forma aleata³ria", Alexia Auffa¨ves, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse. "Como consequaªncia imediata, o dispositivo de medição fornece energia e entropia ao sistema qua¢ntico, desempenhando um papel semelhante a uma fonte quente alimentando um motor tanãrmico . A diferença nota¡vel éque aqui o combustavel não étanãrmico, mas qua¢ntico."

Ha¡ alguns anos, Auffa¨ves e alguns de seus colegas do Institut Nanãel-CNRS apresentaram a prova de conceito para um motor alimentado por medição baseado em um aºnico qubit . Esta foi a primeira de uma sanãrie de propostas que revelaram a contrapartida energanãtica dos dispositivos de medição.

Atéagora, os processos de medição eram tipicamente modelados usando abordagens tea³ricas cla¡ssicas. Em seu novo artigo, os pesquisadores deram um passo ousado em frente ao abrir a 'caixa preta' dos dispositivos de medição e examina¡-la de uma perspectiva da física qua¢ntica.

"Consideramos especificamente a criação de correlações qua¢nticas entre o sistema a ser medido e um 'medidor qua¢ntico'", disse Auffeves. "Rastreamos os fluxos de energia e entropia ao longo desse processo, revelando a origem microsca³pica do combustavel 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 éalimentado por um motor fasico fena´meno conhecido como emaranhamento qua¢ntico . O emaranhamento ocorre quando um conjunto departículas interage ou permanece conectado de tal forma que as ações realizadas por uma afetam a outra, mesmo que haja uma distância significativa entre elas.

"Nossos resultados lana§am uma nova luz sobre o postulado de medição na meca¢nica qua¢ntica", disse Auffa¨ves. "Uma vez que esse mecanismo ainda alimenta debates fundamentais, pode-se esperar que a energia qua¢ntica fornea§a novas quantidades mensura¡veis â€‹â€‹para distinguir entre as várias interpretações da meca¢nica qua¢ntica. De um lado mais aplicado, as pegadas energanãticas da medição qua¢ntica e do emaranhamento tera£o um impacto na energia custo das tecnologias qua¢nticas e seu potencial de escalabilidade. "

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

"Quando um qubit émedido em | 1>, pode-se extrair deterministicamente um quantum de energia dele, chamado de fa³ton ", disse Auffa¨ves. "Quando o fa³ton éliberado, o qubit volta a | 0> por conservação de energia. Respectivamente, quando o qubit estãoem | 0>, pode-se fornecer um fa³ton para excita¡-lo no estado | 1>."

Auffa¨ves e seus colegas jogaram com dois qubits de cores diferentes: um vermelho e um azul. O qubit vermelho troca fa³tons vermelhos, enquanto o azul troca fa³tons azuis. Notavelmente, o qubit vermelho carrega menos energia do que o qubit azul.

O protocolo usado pelos pesquisadores inicialmente fornece um fa³ton vermelho ao qubit vermelho, preparando | 1 a > enquanto o qubit azul é| 0 b >. Posteriormente, os qubits interagem trocando fa³tons 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 éreiniciado. Se for medido em | 1 b > um fa³ton azul pode ser extraado. Como os fa³tons azuis são mais energanãticos 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 Auffa¨ves 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 fasicos trazidos pela medição qua¢ntica, a saber, informação e combustavel. Além disso, eles examinaram os efeitos desses recursos no desempenho do motor.

"Nossas descobertas fornecem novos insights sobre os recursos energanãticos fundamentais em jogo quando um sistema qua¢ntico émedido, ou equivalentemente, quando correlações qua¢nticas são criadas entre um sistema qua¢ntico e um medidor qua¢ntico", disse Auffa¨ves. "Originalmente, esses resultados são va¡lidos na ausaªncia de uma temperatura bem definida, pois a única fonte de ruado considerada éa própria medição."

Auffa¨ves e seus colegas foram os primeiros a estender os motores movidos a medição para substâncias de trabalho compostas e a oferecer uma interpretação microsca³pica do mecanismo de abastecimento. Suas descobertas podem ajudar a estender conceitos relacionados a termodina¢mica para fontes qua¢nticas de ruado, 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 "energanãtica qua¢ntica".

"Nossos resultados lana§am uma nova luz sobre o postulado de medição na meca¢nica qua¢ntica", disse Auffa¨ves. "Uma vez que esse mecanismo ainda alimenta debates fundamentais, pode-se esperar que a energia qua¢ntica fornea§a novas quantidades mensura¡veis â€‹â€‹para distinguir entre as várias interpretações da meca¢nica qua¢ntica. De um lado mais aplicado, as pegadas energanãticas da medição qua¢ntica e do emaranhamento tera£o um impacto na energia custo das tecnologias qua¢nticas e seu potencial de escalabilidade. "

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