Vamos falar sobre tecnologias que podem contribuir para o amplo uso de máquinas quânticas, o equivalente quântico
do demônio de
Maxwell e o teletransporte de um
portão quântico .
/ foto Wikimedia PDBrevemente sobre o paradoxo de Maxwell
O demônio Maxwell é uma criatura fictícia inventada pelo físico James Clerk Maxwell no século 19 para descrever o paradoxo da
segunda lei da termodinâmica .
Maxwell propôs o seguinte experimento mental. Um recipiente é levado e dividido por uma partição em duas metades. Em seguida, é preenchido arbitrariamente com moléculas de gás "frias" e "quentes". Essas moléculas são misturadas e se movem em velocidades diferentes.
Um buraco foi feito no septo com um dispositivo que permite que moléculas quentes passem da esquerda para a direita e moléculas frias da direita para a esquerda. Este dispositivo é chamado de demônio Maxwell. Como resultado, metade do tanque é aquecida e a segunda é resfriada sem consumo de energia.
O paradoxo é que, depois que as moléculas "tomam seu lugar" no tanque, a entropia do sistema é menor do que em seu estado original. Isso viola a segunda lei da termodinâmica, segundo a qual a
entropia de um sistema isolado não pode diminuir, mas apenas aumentar ou permanecer a mesma.
Primeiro, os físicos decidiram que o demônio de Maxwell pode ser identificado com uma máquina de movimento perpétuo, pois leva a energia "do nada". Mas então ficou provado que o demônio também gasta energia na seleção de moléculas. Isso significa que a energia surge do trabalho do demônio e as leis da termodinâmica não são violadas. O paradoxo foi resolvido por Leo Sylard em 1929.
Há muito tempo, eles tentam colocar em prática o conceito de demônio de Maxwell. Vários pesquisadores conseguiram até alcançar certos sucessos. Por exemplo, em 2010, pesquisadores japoneses
desenvolveram um modelo eletromecânico do
motor Sillard , considerado um tipo de demônio Maxwell. Usava bolas de poliestireno (que eram moléculas no sistema original) flutuando em círculo em uma solução tampão. O papel do demônio era desempenhado por uma tensão elétrica, empurrando as bolas de luz para mudar sua direção de movimento.
Três anos atrás, o demônio de Maxwell foi implementado como um transistor de elétron único com fios de alumínio supercondutores. No entanto, os cientistas não foram capazes de dar vida ao conceito com um número significativo de átomos ou moléculas. Até recentemente.
Demônio quântico: qual é o objetivo
Em setembro deste ano, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia conseguiram
realizar um equivalente quântico em larga escala de um experimento mental. De uma maneira especial, eles
agruparam uma matriz díspar de um grande número de átomos de césio, reduzindo a entropia do sistema.
Para isso, uma equipe de especialistas utilizou a chamada
armadilha óptica com três pares de lasers. Permite capturar átomos e resfriá-los a temperaturas muito baixas (apenas alguns graus acima do zero absoluto).
Como parte do experimento, os pesquisadores usaram lasers com comprimento de onda de 839 nm para formar uma treliça 3D óptica 5x5x5 e colocar átomos de césio nela. Inicialmente, esses átomos estavam em um estado com um
número quântico orbital (l) igual a 4 e um
número quântico magnético (m) igual a -4 e foram distribuídos aleatoriamente pela rede. No entanto, no final do experimento, eles formaram subátomos 5x5x2 ou 4x4x3, o que reduziu a entropia do sistema em mais de duas vezes.
Para mover um átomo ao longo de uma rede, os cientistas mudaram seu estado (alterando seus números quânticos) e mudaram a polarização de um dos feixes de luz. Como resultado, átomos em diferentes estados começaram a "repulsa" e a se mover ao longo da rede. Quando foi necessário "fixar" a posição do átomo, seus números quânticos retornaram ao seu estado original.
Por que o desenvolvimento é útil
A redução de entropia é uma opção promissora para a criação de qubits. Usar átomos neutros para a computação quântica é uma tarefa difícil. Como eles não têm carga elétrica, é difícil fazê-los entrar em um estado de
emaranhamento quântico , no qual os estados dos objetos dependem um do outro.
A diminuição da entropia na armadilha óptica de átomos
permite construir portões quânticos com menos erros. E
os portões quânticos são considerados os elementos lógicos básicos de um computador quântico. Portanto, o sistema proposto permite no futuro aumentar a eficiência computacional de uma máquina quântica.
Outra tecnologia é o teletransporte de um portão quântico.
Para que as máquinas quânticas se espalhem, é necessário organizar o trabalho coordenado de centenas de qubits. Uma maneira de conseguir isso é tornar o sistema modular: combine pequenos sistemas quânticos em um grande.
/ foto Rachel Johnson CCPara isso, é necessário dar às válvulas quânticas a possibilidade de interação intermodular. Para esse fim, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Yale
desenvolveu uma arquitetura quântica modular onde os portões quânticos se
teletransportam (transmitem seu estado à distância) em tempo real.
Os pesquisadores teletransportaram o
portão lógico
CNOT (negação controlada), que implementa uma operação semelhante à "
adição do módulo 2 ". Dados os códigos de correção de erros, a confiabilidade do método foi de 79%.
No futuro, essa tecnologia permitirá organizar computadores quânticos modulares que simplesmente serão dimensionados.
Tudo isso, juntamente com a conquista de pesquisadores da Universidade da Pensilvânia, aproxima o momento da ampla adoção de máquinas quânticas. Acredita-se que isso
acontecerá nos próximos dez anos.
Recursos adicionais do PS do primeiro blog corporativo de IaaS:
PPS Artigos relacionados do nosso blog em Habré: