Иллюстрация. «Пространственно-разнесённый демон». Дизайнер: @tsarcyanide, пресс-служба МФТИ
Ученые из Московского физико-технического института с коллегами из США и Швейцарии описали пространственно-разнесенного квантового демона Максвелла — устройство, локально нарушающее второй закон термодинамики в системе, которая находится на расстоянии 1–5 метров от демона. Устройство может найти применение в квантовых компьютерах и микроскопических холодильниках точечного действия. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Второй закон утверждает, что энтропия, то есть неупорядоченность, энергетически изолированной системы не может самопроизвольно уменьшаться.
«Наш демон делает так, что устройство, которое называется кубитом, переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное, — поясняет ведущий автор исследования Андрей Лебедев, сотрудник МФТИ и Федеральной высшей технической школы Цюриха. — При этом кубит не изменяет свою энергию и находится от демона на огромном по меркам квантовой физики расстоянии». До сих пор авторы работы и другие физики описывали и конструировали только квантовых демонов Максвелла с очень малым радиусом действия.
Поскольку демона необходимо особым образом подготовить перед каждым взаимодействием с кубитом, а на это уходит энергия, глобально второй закон не нарушается.
Демон-очиститель
Роль кубита в исследовании выполняет сверхпроводящий искусственный атом — микроскопическое устройство, из которого ранее тот же коллектив предложил сделать квантовый магнитометр. Такой кубит состоит из тонких пленок алюминия, нанесенных на кремниевый чип. Эта система называется искусственным атомом потому, что при температуре, близкой к абсолютному нулю, она ведет себя как атом с двумя энергетическими уровнями: основным и возбужденным.
Для кубита характерны «грязные» (смешанные) и «чистые» состояния. Если он пребывает или в основном, или в возбужденном состоянии, но точно неизвестно, в каком, — говорят о грязном состоянии. В таком состоянии можно говорить о классической вероятности найти искусственный атом на одном из своих уровней. Но как и настоящий атом, кубит может находиться в квантовой суперпозиции основного и возбужденного состояний. Так в квантовой физике описывают особое состояние, которое не тождественно ни одному из двух базисных. Такое состояние называют чистым, и его нельзя описать только в терминах классической вероятности. Оно считается более упорядоченным, но может существовать лишь доли секунды, прежде чем переходит в грязное.
Роль демона выполняет второй такой же кубит. Он присоединяется к рабочему кубиту коаксиальным кабелем, который проводит микроволновые сигналы. Согласно принципу неопределённости Гейзенберга, оказавшись связанными, кубиты начинают самопроизвольно обмениваться виртуальными фотонами — порциями микроволнового излучения. Посредством фотонов кубиты меняются состояниями.
Демон приводится в чистое состояние, затем он обменивается состояниями с рабочим кубитом, отдавая чистое состояние взамен на грязное с такой же энергией. Перейдя в чистое состояние, рабочий кубит снижает свою энтропию, сохранив прежнюю энергию. Выходит, что демон Максвелла на расстоянии «съедает» энтропию кубита — энергетически изолированной системы. Если смотреть на кубит локально, возникает впечатление, что второй закон нарушен.
Квантовый нанохолодильник
Возможность на расстоянии очищать состояние рабочего кубита ценна с практической точки зрения. В отличие от грязного, чистое состояние кубита можно относительно легко и предсказуемо перевести в основное или в возбужденное при помощи электромагнитного поля. Эта операция нужна для работы квантового компьютера: при его запуске требуется перевести все кубиты в основное состояние. При этом присутствие демона вблизи кубитов нежелательно, так как процесс его очистки может губительно повлиять на состояние компьютера.
Еще одно применение связано с тем, что перевод рабочего кубита в чистое состояние и затем в основное вызывает охлаждение точки пространства, где находится кубит. Это значит, что кубит работает как нанохолодильник, которым можно точечно охлаждать, например, участки молекул.
«Обычный холодильник воздействует на весь свой объем, а такой кубитный нанохолодильник будет охлаждать конкретную точку. В ряде случаев это может быть эффективнее, — объясняет соавтор исследования, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ Гордей Лесовик. — Например, в том же квантовом компьютере можно было бы использовать так называемое алгоритмическое охлаждение — в коде основной «квантовой» программы написать подпрограмму, которая будет прицельно охлаждать самые горячие кубиты».
«А поскольку любую тепловую машину можно запустить в обратную сторону, мы имеем еще и точечный нагреватель. Чтобы его включить, нужно переводить рабочий кубит из суперпозиции не в основное, а в возбужденное состояние. Тогда там, где находится кубит, станет горячее», — добавляет ученый.
Обе операции можно проводить многократно, потому что чистое состояние кубита живет доли секунды, после чего оно снова переходит в грязное, поглощая или излучая энергию в случае с холодильником и нагревателем, соответственно. На каждом шаге точка нахождения кубита будет остывать или нагреваться сильнее.
Кроме радиуса действия демона, ученые дают оценку максимальной температуры коаксиального кабеля между двумя кубитами, при которой вся система сохраняет свои квантовые свойства, без чего действие демона невозможно. Хотя эта температура крайне низка (считанные градусы выше абсолютного нуля), она все же выше рабочей температуры кубитов примерно в 100 раз, что существенно облегчает реализацию предложенной схемы на практике.
Исследователи уже работают над постановкой описанного в статье эксперимента.
В работе приняли участие физики из МФТИ (Андрей Лебедев и Гордей Лесовик), Федеральной высшей технической школы Цюриха (Джанни Блаттер) и Аргоннской национальной лаборатории США (Валерий Винокур).
Исследование профинансировано Швейцарским национальным научным фондом, Российским фондом фундаментальных исследований, Фондом развития теоретической физики и математики «БАЗИС», Министерством образования и науки РФ, Правительством РФ. Работа Валерия Винокура профинансирована Научным отделом Министерства энергетики США (отдел фундаментальных энергетических исследований, материаловедческо-инженерный департамент).
