Намалената ентропия в триизмерната решетка на супер охладени, захванати с лазер атоми може да помогне за ускоряване на напредъка към квантовите изчисления. Екип от изследователи от Penn State може да пренареди структурата на произволно разпределен брой атоми в спретнато подредени блокове, изпълнявайки функцията на „демона на Максуел“ - мисловен експеримент преди почти 150 години, който призовава за втория закон на термодинамиката.
Организираните блокове от атоми могат да формират основата за квантов компютър, който използва незаредени атоми за кодиране на данни и извършване на изчисления. Статия, описваща изследването, ще се появи на 6 септември 2018 г. в списание Nature.
„Традиционните компютри използват транзистори, за да кодират данните като битове, които могат да бъдат в едно от двете състояния - нула или едно“, казва Дейвид Вайс, професор по физика в щата Пенсилвания и ръководител на изследователския екип. „Разработваме квантови компютри, които използват атоми като„ квантови битове “или„ кубити “, които могат да кодират данни въз основа на квантово-механични явления, които им позволяват да бъдат едновременно в множество състояния. Подреждането на атомите в затворена 3D мрежа ни позволява да съхраняваме много атоми в малка площ и правят изчислението по-опростено и по-ефективно. "
Вторият закон на термодинамиката гласи, че ентропията - понякога считана за отказ - на система не може да намалява с времето. Едно от последствията от този закон е, че той изключва възможността за конструиране на perpetum mobile (устройство с вечно-постоянно-вечно движение). Някъде около 1870 г. Джеймс Клерк Максуел предлага мисловен експеримент, при който демон може да отвори и затвори порта между две газови камери, позволявайки на по-топлите атоми да преминат в едната посока и по-студените атоми да преминат в другата. Това сортиране, което не изисква влагане на енергия, би довело до намаляване на ентропията в системата и температурната разлика между двете камери, които биха могли да се използват като термопомпа за извършване на работата, като по този начин се нарушава вторият закон на термодинамиката.
Намаляване на ентропията в произволно запълнена решетка от 5x5x5 атома. Всяка колона показва ангажираност от 5 равнини на мрежата. По-горе са първоначалните случайни разпределения на атомите при 125 възможни позиции. Вторият ред показва договореностите след първата реорганизация и третият ред след втората реорганизация. В този момент целевата подмрежа 5x5x2 е напълно запълнена. този процес намалява ентропията в системата с коефициент 2,4. Кредит: Weiss Laboratory, Penn State
"По-късните резултати показаха, че всъщност демонът не нарушава втория закон на термодинамиката и впоследствие мнозина се опитват да разработят експериментални системи, които се държат като демон", каза Вайс. "Имаше някои успехи в много малък мащаб, но ние създадохме система, в която можем да манипулираме голям брой атоми, организирайки ги по начин, който намалява ентропията на системата точно като демон."
Изследователите използват лазери за улавяне и охлаждане на атоми в триизмерна решетка със 125 позиции, подредени като куб 5 х 5 х 5. След това те запълват на случаен принцип около половината от позициите в мрежата с атоми. Чрез коригиране на поляризацията на лазерните капани, изследователите могат да преместват атоми поотделно или в групи, да реорганизират произволно разпределени атоми, за да запълнят или изцяло да запълнят подмножества от мрежа 5 x 5 x 2 или 4 x 4 x 3.
"Тъй като атомите се охлаждат до възможно най-ниска температура, ентропията на системата е почти напълно дефинирана от случайната конфигурация на атомите в решетката", каза Вайс. "В системи, в които атомите не са преохладени, вибрациите на атомите съставляват по-голямата част от ентропията на системата. В такава система организацията на атомите не оказва особено влияние върху промяната на ентропията, но в нашия експеримент ние показват, че организирането на атоми намалява ентропията в системата с фактор около 2,4. "