يمكن أن يكون كلا من ميكانيكا الكم والديناميكا الحرارية صحيحين ، كما يقول علماء الفيزياء - عالم الفيزياء

أظهر الفيزيائيون في هولندا وألمانيا أن نظريات الديناميكا الحرارية وميكانيكا الكم كلاهما طريقتان صالحتان لوصف سلوك الفوتونات في معالج كمومي. النتائج ، التي حصل عليها باحثون في جامعة توينتي وجامعة برلين الحرة ، تفتح الباب أمام فهم أعمق لكيفية التوفيق بين هاتين النظريتين العظيمتين.

الديناميكا الحرارية وميكانيكا الكم هما حجر الزاوية في الفيزياء الحديثة ، ولكن بطريقة واحدة محددة ومهمة ، لا تتوافقان بشكل جيد. تدور نقطة الخلاف حول القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والذي ينص على أن النظام المغلق سيتحرك نحو أقصى إنتروبيا (مقياس لاضطراب النظام ، أو الفوضى) بطريقة لا رجعة فيها. في المقابل ، تسمح نظرية ميكانيكا الكم بحساب الحالات السابقة للجسيمات مرة أخرى ، مما يعني أن تدفق المعلومات والوقت يمكن عكسهما.

في السنوات الأخيرة ، كانت هناك عدة محاولات لاستكشاف هذا الصراع باستخدام أنظمة كمومية متشابكة مثل الذرات شديدة البرودة أو بتات الكم فائقة التوصيل (كيوبت). من خلال مراقبة ما يحدث عندما تقوم هذه الأنظمة بالتسخين والتوازن ، يجب أن يكون من الممكن قياس إنتروبياها وحالاتها الكمية في نفس الوقت ، وبالتالي حل التناقض.

تكمن المشكلة في أن الأنظمة الكمومية شديدة الحساسية للتفاعلات مع بيئتها. هذا يجعل من الصعب إنشاء نظام مغلق حقًا. كما أنها عرضة لفقدان طبيعتها الكمية ، وهي عملية تُعرف باسم فك الترابط ، مما يجعل من الصعب تنفيذ عكس الوقت.

الضوئيات للإنقاذ

للتغلب على هذه التحديات ، اختار الفريق دراسة المعالجة الحرارية والتوازن في أنظمة الفوتونات المتشابكة. تتمتع الفوتونات بالعديد من المزايا مقارنة بالنظم الكمومية المكونة من (على سبيل المثال) الذرات. طبيعتها الكمومية في جوهرها تعني أنها لا تعاني من فك الترابط. يمكن دراستها في درجة حرارة الغرفة ، على عكس درجات الحرارة شديدة الانخفاض اللازمة للذرات ، ويسهل التعامل معها مع التداخل. الأهم من ذلك ، أنها تسمح بعكس الوقت: يمكن عكس أي خلط للفوتونات عن طريق إجراء العملية العكسية ، مما يعني أن الفوتونات المتشابكة يمكن ، في الواقع ، "فك التشابك".

في التجربة ، بدأ الباحثون بحقن فوتونات مفردة في قنوات الدليل الموجي على شريحة. تتداخل هذه الفوتونات حيث تلتقي القنوات الضوئية على الشريحة وتتقاطع. هذا التداخل ، الذي سيطر عليه الفريق باستخدام مقاييس التداخل الحرارية الضوئية Mach-Zehnder ، يخلق تراكبًا للفوتونات في موجهات الموجات ويسمح بالتشابك. ثم يتم الكشف عن الفوتونات بكواشف الفوتون الواحد.

صحيح في نفس الوقت

لتحديد الزيادات المحلية والإجمالية في الانتروبيا للنظام ، أجرى الباحثون سلسلة من البروتوكولات. تم تنفيذ انعكاس الوقت ، على سبيل المثال ، عن طريق فك تشابك الفوتونات ، وهو ما كان ممكنًا بسبب التحكم الكامل الذي يمنحه المعالج على التجربة.

بمجرد اكتمال هذه البروتوكولات ، أظهرت القياسات في قنوات الإخراج الفردية للتجربة أنه لم يعد من الممكن تحديد أرقام الفوتون بدقة. وذلك لأن الفوتونات كانت في حالة تشابك معًا ولم تعد مترجمة بشكل فردي في قناة واحدة كما كانت عند المدخل. ومع ذلك ، فإن إحصائيات الفوتون التي قاسها الباحثون في كل قناة أظهرت أن الانتروبيا زادت محليًا في جميع القنوات ، بما يتوافق مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. في الوقت نفسه ، فإن التشابك الذي تراكم بين الفوتونات غير مرئي في القنوات الفردية: فقط عند النظر في النظام بأكمله يتضح أن الحالة الكمومية الكلية في شكل نقي ، بما يتفق مع ميكانيكا الكم.

كاختبار نهائي ، أجرى الفيزيائيون عمليات لإعادة المعالج إلى حالته الأصلية (انعكاس الوقت). أثبت نجاح هذه العمليات أن عمليات المعالجة الحرارية والموازنة كانت بسبب التشابك بين الجسيمات الكمومية ، بدلاً من التفاعلات مع البيئة. ومن ثم ، أظهرت التجربة أن الديناميكا الحرارية وميكانيكا الكم يمكن أن يكونا صحيحين في نفس الوقت.

بيانات عالية الجودة

وفقًا بيبين بينكس، خبير البصريات الكمومية في جامعة توينتي ، كان التحدي الأكبر للفريق هو الحصول على بيانات عالية الجودة كافية لإجراء القياسات. كما يقول ، ساعدت الخسائر المنخفضة في المعالج الفوتوني ، ومن المفترض أن تمكنها المزيد من الفوتونات والمعالجات الأكبر من محاكاة المزيد من الأنظمة. ويضيف أن العنصر الأضعف في السلسلة يبدو أنه مصدر الفوتون: "لدينا ما لا يقل عن 12 قناة إدخال ، ولكن هناك ثلاثة فوتونات فقط في نفس الوقت للتجربة ، لذلك هناك مجال للتحسين هناك" ، كما يقول عالم الفيزياء.

النظرية المجهولة: لماذا لا تقل أهمية الديناميكا الحرارية عن ميكانيكا الكم والنسبية العامة

نيكول يونجر هالبيرنيقول خبير في الديناميكا الحرارية الكمومية في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) والذي لم يشارك في البحث ، إن التجربة مهمة لأنها تمتد إلى عمل الفوتونات السابق الذي تضمن الذرات شديدة البرودة والأيونات المحاصرة والكيوبتات فائقة التوصيل. قالت إن هذا التغيير في النظام الأساسي مكّن التجريبين من التراجع عن العملية التي قادت النظام إلى الموازنة داخليًا ، مما يجعل من الممكن استنتاج أن النظام احتفظ بطبيعته الكمومية أثناء الموازنة. تشير إلى أن القيام بذلك يتطلب "قدرًا ممتازًا من التحكم" ، مضيفة أن التحدي المتمثل في تحقيق هذه السيطرة قد تسبب في قلق كبير لدى المجموعات التي تستخدم منصات أخرى على مدى السنوات العديدة الماضية.

تم نشر البحث في طبيعة الاتصالات.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/