Hablemos de tecnologías que pueden contribuir al uso generalizado de máquinas cuánticas, el equivalente cuántico
del demonio de
Maxwell y la teletransportación de una
puerta cuántica .
/ foto Wikimedia PDBrevemente sobre la paradoja de Maxwell
El demonio de Maxwell es una criatura ficticia inventada por el físico James Clerk Maxwell en el siglo XIX para describir la paradoja de la
segunda ley de la termodinámica .
Maxwell propuso el siguiente experimento mental. Se toma un contenedor y se divide por una partición en dos mitades. Luego se llena arbitrariamente con moléculas de gas "frías" y "calientes". Estas moléculas se mezclan y se mueven a diferentes velocidades.
Se hizo un agujero en el tabique con un dispositivo que permite que las moléculas calientes pasen de izquierda a derecha y las moléculas frías de derecha a izquierda. Este dispositivo se llama el demonio Maxwell. Como resultado, la mitad del tanque se calienta y la segunda se enfría sin ningún consumo de energía.
La paradoja es que después de que las moléculas "toman sus lugares" en el tanque, la entropía del sistema es menor que en su estado original. Esto viola la segunda ley de la termodinámica, según la cual la
entropía de un sistema aislado no puede disminuir, sino que solo aumenta o permanece igual.
Primero, los físicos decidieron que el demonio de Maxwell puede identificarse con una máquina de movimiento perpetuo, ya que toma energía "de la nada". Pero luego se demostró que el demonio también desperdicia energía en la clasificación de moléculas. Esto significa que la energía surge del trabajo del demonio, y las leyes de la termodinámica no se violan. La paradoja fue resuelta por Leo Sylard en 1929.
Han intentado durante mucho tiempo poner en práctica el concepto de demonio de Maxwell. Varios investigadores incluso lograron ciertos éxitos. Por ejemplo, en 2010, investigadores japoneses
desarrollaron un modelo electromecánico del
motor Sillard , que se considera un tipo de demonio de Maxwell. Utilizaba bolas de poliestireno (que eran moléculas en el sistema original) flotando en un círculo en una solución tampón. El papel del demonio era jugado por un voltaje eléctrico, empujando las bolas de luz para cambiar su dirección de movimiento.
Hace tres años, el demonio de Maxwell se implementó como un transistor de un solo electrón con cables de aluminio superconductores. Sin embargo, los científicos no pudieron dar vida al concepto con un número significativo de átomos o moléculas. Hasta hace poco
Demonio cuántico: cuál es el punto
En septiembre de este año, investigadores de la Universidad de Pennsylvania lograron
realizar un equivalente cuántico a gran escala de un experimento mental. De manera especial,
agruparon una matriz dispareja de una gran cantidad de átomos de cesio, reduciendo la entropía del sistema.
Para esto, un equipo de especialistas utilizó la llamada
trampa óptica con tres pares de láseres. Le permite capturar átomos y enfriarlos a temperaturas ultrabajas (solo unos pocos grados por encima del cero absoluto).
Como parte del experimento, los investigadores utilizaron láseres con una longitud de onda de 839 nm para formar una red óptica 3D 5x5x5 y colocar átomos de cesio en ella. Inicialmente, estos átomos estaban en un estado con un
número cuántico orbital (l) de 4 y un
número cuántico magnético (m) de −4 y se distribuyeron aleatoriamente sobre la red. Sin embargo, al final del experimento, formaron subredes de 5x5x2 o 4x4x3, lo que redujo la entropía del sistema en más de dos veces.
Para mover un átomo a lo largo de una red, los científicos cambiaron su estado (cambiando sus números cuánticos) y cambiaron la polarización de uno de los haces de luz. Como resultado, los átomos en diferentes estados comenzaron a "rechazar" y moverse a lo largo de la red. Cuando fue necesario "arreglar" la posición del átomo, sus números cuánticos volvieron a su estado original.
Por qué es útil el desarrollo
La reducción de entropía es una opción prometedora para crear qubits. Usar átomos neutros para la computación cuántica es una tarea difícil. No tienen carga eléctrica, por lo que es difícil hacer que entren en un estado de
enredo cuántico , en el que los estados de los objetos dependen unos de otros.
La disminución de la entropía en la trampa óptica de los átomos
permite construir puertas cuánticas con menos errores. Y las
puertas cuánticas se consideran los elementos lógicos básicos de una computadora cuántica. Por lo tanto, el sistema propuesto permite en el futuro aumentar la eficiencia computacional de una máquina cuántica.
Otra tecnología es la teletransportación de una puerta cuántica.
Para que las máquinas cuánticas se generalicen, es necesario organizar el trabajo coordinado de cientos de qubits. Una forma de lograr esto es hacer que el sistema sea modular: combine pequeños sistemas cuánticos en uno grande.
/ foto Rachel Johnson CCPara esto, es necesario dar a las puertas cuánticas la posibilidad de interacción intermodular. Con este fin, un equipo de investigadores de la Universidad de Yale ha
desarrollado una arquitectura cuántica modular donde las puertas cuánticas se
teletransportan (transmiten su estado desde la distancia) en tiempo real.
Los investigadores han teletransportado la
puerta lógica
CNOT (negación controlada), que implementa una operación similar a la "
adición del módulo 2 ". Dados los códigos de corrección de errores, la fiabilidad del método fue del 79%.
En el futuro, esta tecnología permitirá organizar computadoras cuánticas modulares que simplemente escalarán.
Todo esto, combinado con el logro de investigadores de la Universidad de Pennsylvania, acerca el momento de la adopción generalizada de las máquinas cuánticas. Se cree que esto
sucederá en los próximos diez años.
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