Parlons des technologies qui peuvent contribuer à l'utilisation généralisée des machines quantiques, à l'équivalent quantique
du démon de
Maxwell et à la téléportation d'une
porte quantique .
/ photo Wikimedia PDEn bref sur le paradoxe de Maxwell
Le démon Maxwell est une créature fictive inventée par le physicien James Clerk Maxwell au 19e siècle pour décrire le paradoxe de la
deuxième loi de la thermodynamique .
Maxwell a proposé l'expérience de réflexion suivante. Un conteneur est pris et divisé par une partition en deux moitiés. Ensuite, il est arbitrairement rempli de molécules de gaz «froides» et «chaudes». Ces molécules sont mélangées et se déplacent à différentes vitesses.
Un trou a été fait dans le septum avec un dispositif qui permet aux molécules chaudes de passer de gauche à droite et aux molécules froides de droite à gauche. Cet appareil est appelé le démon Maxwell. En conséquence, la moitié du réservoir est chauffée et la seconde est refroidie sans aucune consommation d'énergie.
Le paradoxe est qu'après que les molécules "prennent leur place" dans le réservoir, l'entropie du système est moindre que dans son état d'origine. Cela viole la deuxième loi de la thermodynamique, selon laquelle l'
entropie d'un système isolé ne peut pas diminuer, mais seulement augmenter ou rester la même.
Premièrement, les physiciens ont décidé que le démon de Maxwell peut être identifié avec une machine à mouvement perpétuel, car il prend l'énergie «de nulle part». Mais il a ensuite été prouvé que le démon gaspille également de l'énergie pour trier les molécules. Cela signifie que l'énergie provient du travail du démon et que les lois de la thermodynamique ne sont pas violées. Le paradoxe a été résolu par Leo Sylard en 1929.
Ils essaient depuis longtemps de mettre en pratique le concept de démon de Maxwell. Un certain nombre de chercheurs ont même réussi à obtenir certains succès. Par exemple, en 2010, des chercheurs japonais ont
développé un modèle électromécanique du
moteur Sillard , qui est considéré comme un type de démon Maxwell. Il a utilisé des boules de polystyrène (qui étaient des molécules du système d'origine) flottant en cercle dans une solution tampon. Le rôle du démon était joué par une tension électrique, poussant les boules de lumière pour changer leur direction de mouvement.
Il y a trois ans, le démon de Maxwell a été implémenté comme un transistor à un électron avec des conducteurs en aluminium supraconducteurs. Cependant, les scientifiques n'ont pas pu donner vie au concept avec un nombre important d'atomes ou de molécules. Jusqu'à récemment.
Démon quantique: à quoi ça sert
En septembre de cette année, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont réussi à
réaliser un équivalent quantique à grande échelle d'une expérience de pensée. Ils ont
groupé de manière particulière
un réseau disparate d'un grand nombre d'atomes de césium, réduisant l'entropie du système.
Pour cela, une équipe de spécialistes a utilisé le soi-disant
piège optique avec trois paires de lasers. Il vous permet de capturer des atomes et de les refroidir à des températures ultra-basses (seulement quelques degrés au-dessus du zéro absolu).
Dans le cadre de l'expérience, les chercheurs ont utilisé des lasers d'une longueur d'onde de 839 nm pour former un réseau optique 3D 5x5x5 et y placer des atomes de césium. Initialement, ces atomes étaient dans un état avec un
nombre quantique orbital (l) de 4 et un
nombre quantique magnétique (m) de −4 et ont été répartis au hasard sur le réseau. Cependant, à la fin de l'expérience, ils ont formé des sous-réseaux de taille 5x5x2 ou 4x4x3, ce qui a réduit l'entropie du système de plus de deux fois.
Pour déplacer un atome le long d'un réseau, les scientifiques ont changé son état (en changeant ses nombres quantiques) et ont changé la polarisation de l'un des faisceaux lumineux. En conséquence, des atomes dans différents états ont commencé à «repousser» et à se déplacer le long du réseau. Lorsqu'il a fallu «fixer» la position de l'atome, ses nombres quantiques sont revenus à leur état d'origine.
Pourquoi le développement est utile
La réduction de l'entropie est une option prometteuse pour créer des qubits. L'utilisation d'atomes neutres pour l'informatique quantique est une tâche difficile. Ils n'ont pas de charge électrique, il est donc difficile de les faire entrer dans un état d'
intrication quantique , dans lequel les états des objets dépendent les uns des autres.
La diminution de l'entropie dans le piège optique des atomes
permet de construire des portes quantiques avec moins d'erreurs. Et
les portes quantiques sont considérées comme les éléments logiques de base d'un ordinateur quantique. Par conséquent, le système proposé permet à l'avenir d'augmenter l'efficacité de calcul d'une machine quantique.
Une autre technologie est la téléportation d'une porte quantique.
Pour que les machines quantiques se répandent, il est nécessaire d'organiser le travail coordonné de centaines de qubits. Une façon d'y parvenir est de rendre le système modulaire: combiner de petits systèmes quantiques en un seul grand.
/ photo Rachel Johnson CCPour cela, il est nécessaire de donner aux portes quantiques la possibilité d'une interaction intermodulaire. À cette fin, une équipe de chercheurs de l'Université de Yale a
développé une architecture quantique modulaire où les portes quantiques se
téléportent (transmettent leur état à distance) en temps réel.
Les chercheurs ont téléporté la
porte logique
CNOT (négation contrôlée), qui implémente une opération similaire à «l'
addition modulo 2 ». Compte tenu des codes de correction d'erreur, la fiabilité de la méthode était de 79%.
À l'avenir, cette technologie permettra d'organiser des ordinateurs quantiques modulaires qui évolueront simplement.
Tout cela, associé à la réalisation de chercheurs de l'Université de Pennsylvanie, rapproche le moment de l'adoption généralisée des machines quantiques. On pense que cela
se produira au cours des dix prochaines années.
Ressources supplémentaires PS du premier blog IaaS d'entreprise:
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