Lassen Sie uns über Technologien sprechen, die zur weit verbreiteten Verwendung von Quantenmaschinen, zum Quantenäquivalent von
Maxwells Dämon und zur Teleportation eines
Quantentors beitragen können.
/ Foto Wikimedia PDKurz zum Maxwell-Paradoxon
Der Maxwell-Dämon ist eine fiktive Kreatur, die der Physiker James Clerk Maxwell im 19. Jahrhundert erfunden hat, um das Paradox des
zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu beschreiben .
Maxwell schlug das folgende Gedankenexperiment vor. Ein Behälter wird genommen und durch eine Trennwand in zwei Hälften geteilt. Dann wird es willkürlich mit "kalten" und "heißen" Gasmolekülen gefüllt. Diese Moleküle werden gemischt und bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
In das Septum wurde ein Loch mit einer Vorrichtung gemacht, die es heißen Molekülen ermöglicht, von links nach rechts und kalten Molekülen von rechts nach links zu gelangen. Dieses Gerät heißt Maxwell-Dämon. Infolgedessen wird eine Hälfte des Tanks erwärmt und die zweite ohne Energieverbrauch gekühlt.
Das Paradoxe ist, dass nachdem die Moleküle ihre Plätze im Tank "eingenommen" haben, die Entropie des Systems geringer ist als in seinem ursprünglichen Zustand. Dies verstößt gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, wonach die
Entropie eines isolierten Systems nicht abnehmen, sondern nur zunehmen oder gleich bleiben kann.
Zunächst entschieden die Physiker, dass Maxwells Dämon mit einer Perpetual-Motion-Maschine identifiziert werden kann, da sie Energie „aus dem Nichts“ verbraucht. Aber dann wurde bewiesen, dass der Dämon auch Energie beim Sortieren von Molekülen verschwendet. Dies bedeutet, dass Energie aus der Arbeit des Dämons entsteht und die Gesetze der Thermodynamik nicht verletzt werden. Das Paradoxon wurde 1929 von Leo Sylard gelöst.
Sie haben lange versucht, Maxwells Dämonenkonzept in die Praxis umzusetzen. Eine Reihe von Forschern konnte sogar bestimmte Erfolge erzielen. Beispielsweise
entwickelten japanische Forscher 2010
ein elektromechanisches Modell des
Sillard-Motors , der als eine Art Maxwell-Dämon gilt. Es wurden Kugeln aus Polystyrol (die im ursprünglichen System Moleküle waren) verwendet, die in einer Pufferlösung in einem Kreis schwebten. Die Rolle des Dämons spielte eine elektrische Spannung, die die Lichtkugeln drückte, um ihre Bewegungsrichtung zu ändern.
Vor drei Jahren wurde Maxwells Dämon als Einzelelektronentransistor mit supraleitenden Aluminiumleitungen implementiert. Wissenschaftler waren jedoch nicht in der Lage, das Konzept mit einer signifikanten Anzahl von Atomen oder Molekülen zum Leben zu erwecken. Bis vor kurzem.
Quantendämon: Worum geht es?
Im September dieses Jahres gelang es Forschern der University of Pennsylvania
, ein großformatiges Quantenäquivalent eines Gedankenexperiments durchzuführen. Sie
gruppierten auf besondere Weise
eine unterschiedliche Anordnung einer großen Anzahl von Cäsiumatomen, wodurch die Entropie des Systems verringert wurde.
Zu diesem Zweck verwendete ein Team von Spezialisten die sogenannte
optische Falle mit drei Laserpaaren. Damit können Sie Atome einfangen und auf extrem niedrige Temperaturen abkühlen (nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt).
Im Rahmen des Experiments verwendeten die Forscher Laser mit einer Wellenlänge von 839 nm, um ein optisches 3D-Gitter von 5 x 5 x 5 zu bilden und Cäsiumatome darin zu platzieren. Anfangs befanden sich diese Atome in einem Zustand mit einer
Orbitalquantenzahl (l) von 4 und einer
magnetischen Quantenzahl (m) von -4 und waren zufällig über das Gitter verteilt. Am Ende des Experiments bildeten sie jedoch Untergitter der Größe 5x5x2 oder 4x4x3, wodurch die Entropie des Systems um mehr als das Zweifache verringert wurde.
Um ein Atom entlang eines Gitters zu bewegen, änderten die Wissenschaftler seinen Zustand (Änderung seiner Quantenzahlen) und schalteten die Polarisation eines der Lichtstrahlen um. Infolgedessen begannen Atome in verschiedenen Zuständen, sich abzustoßen und entlang des Gitters zu bewegen. Als es notwendig war, die Position des Atoms zu „fixieren“, kehrten seine Quantenzahlen in ihren ursprünglichen Zustand zurück.
Warum Entwicklung nützlich ist
Die Entropiereduktion ist eine vielversprechende Option zum Erstellen von Qubits. Die Verwendung neutraler Atome für das Quantencomputing ist eine schwierige Aufgabe. Sie haben keine elektrische Ladung, daher ist es schwierig, sie in einen Zustand der
Quantenverschränkung zu versetzen , in dem die Zustände der Objekte voneinander abhängen.
Die Abnahme der Entropie in der optischen Falle von Atomen
ermöglicht es, Quantentore mit weniger Fehlern
zu konstruieren. Und
Quantengatter werden als grundlegende logische Elemente eines Quantencomputers angesehen. Daher ermöglicht das vorgeschlagene System in Zukunft, die Recheneffizienz einer Quantenmaschine zu erhöhen.
Eine andere Technologie ist die Teleportation eines Quantentors.
Damit sich Quantenmaschinen verbreiten können, ist es notwendig, die koordinierte Arbeit von Hunderten von Qubits zu organisieren. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, das System modular zu gestalten: Kombinieren Sie kleine Quantensysteme zu einem großen.
/ Foto Rachel Johnson CCHierzu ist es notwendig, Quantengattern die Möglichkeit einer intermodularen Wechselwirkung zu geben. Zu diesem Zweck hat ein Forscherteam der Yale University
eine modulare Quantenarchitektur entwickelt, bei der sich Quantengatter in Echtzeit
teleportieren (ihren Zustand aus der Ferne übertragen).
Forscher haben das
CNOT- Logikgatter (kontrollierte Negation) teleportiert, das eine Operation ähnlich der „
Modulo-2-Addition “ implementiert. Angesichts der Fehlerkorrekturcodes betrug die Zuverlässigkeit der Methode 79%.
In Zukunft wird diese Technologie die Organisation modularer Quantencomputer ermöglichen, die einfach skaliert werden können.
All dies, zusammen mit der Leistung von Forschern der University of Pennsylvania, bringt den Moment der weit verbreiteten Einführung von Quantenmaschinen näher. Es wird angenommen, dass dies in den nächsten zehn Jahren
geschehen wird .
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