فیزیکدانان - Physics World - می گویند مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک هر دو می توانند درست باشند

فیزیکدانان هلند و آلمان نشان داده‌اند که تئوری‌های ترمودینامیک و مکانیک کوانتومی هر دو روش‌های معتبری برای توصیف رفتار فوتون‌ها در یک پردازنده کوانتومی هستند. نتایج بدست آمده توسط محققان دانشگاه Twente و Freie Universität برلین، دریچه ای را برای درک عمیق تری از نحوه تطبیق این دو نظریه بزرگ باز می کند.

ترمودینامیک و مکانیک کوانتومی سنگ بنای فیزیک مدرن هستند، اما از یک جهت خاص و مهم، به خوبی با هم هماهنگ نیستند. نقطه اختلاف حول قانون دوم ترمودینامیک می چرخد، که بیان می کند که یک سیستم بسته به سمت حداکثر آنتروپی (معیار بی نظمی یا هرج و مرج سیستم) به روشی غیرقابل برگشت حرکت می کند. در مقابل، نظریه مکانیک کوانتومی اجازه می دهد تا حالت های قبلی ذرات محاسبه شود، به این معنی که جریان اطلاعات و زمان هر دو برگشت پذیر هستند.

در سال‌های اخیر، تلاش‌های متعددی برای کشف این تضاد با استفاده از سیستم‌های کوانتومی درهم‌تنیده مانند اتم‌های فوق سرد یا بیت‌های کوانتومی ابررسانا (کیوبیت) صورت گرفته است. با مشاهده اتفاقاتی که در هنگام گرم شدن و تعادل این سیستم‌ها روی می‌دهد، می‌توان آنتروپی و حالات کوانتومی آنها را همزمان اندازه‌گیری کرد و در نتیجه پارادوکس را حل کرد.

مشکل این است که سیستم های کوانتومی به تعامل با محیط خود بسیار حساس هستند. این امر ایجاد سیستمی را که واقعاً بسته است دشوار می کند. آنها همچنین مستعد از دست دادن ماهیت کوانتومی خود هستند، فرآیندی که به نام decoherence شناخته می شود، که اجرای معکوس زمان را دشوار می کند.

فوتونیک برای نجات

برای دور زدن این چالش ها، این تیم مطالعه گرمایی و تعادل در سیستم های فوتون های درهم تنیده را انتخاب کردند. فوتون ها نسبت به سیستم های کوانتومی متشکل از (مثلا) اتم ها مزایای متعددی دارند. ماهیت ذاتاً کوانتومی آنها به این معنی است که آنها از عدم پیوستگی رنج نمی برند. آنها را می توان در دمای اتاق مطالعه کرد، برخلاف دمای بسیار پایین لازم برای اتم ها، و به راحتی با تداخل دستکاری می شوند. مهمتر از همه، آنها امکان برگشت پذیری زمانی را فراهم می کنند: هر گونه اختلاط فوتون ها را می توان با انجام عملیات معکوس معکوس کرد، به این معنی که فوتون های درهم تنیده می توانند در واقع "گسسته" شوند.

در این آزمایش، محققان با تزریق فوتون‌های منفرد به کانال‌های موجبر روی یک تراشه شروع کردند. این فوتون‌ها در جایی که کانال‌های فوتونیک روی تراشه به هم می‌رسند و از هم عبور می‌کنند تداخل می‌کنند. این تداخل، که تیم با تداخل سنج‌های Mach-Zehnder ترمواپتیک کنترل می‌کرد، برهم‌نهی فوتون‌ها را در موجبرها ایجاد می‌کند و اجازه می‌دهد تا درهم تنیدگی ایجاد شود. سپس فوتون ها با آشکارسازهای تک فوتونی شناسایی می شوند.

به طور همزمان درست است

برای تعیین افزایش‌های محلی و کل آنتروپی سیستم، محققان یک سری پروتکل‌ها را انجام دادند. برای مثال، برگشت‌پذیری زمان با جدا کردن فوتون‌ها انجام شد، که به دلیل کنترل کامل پردازنده بر آزمایش امکان‌پذیر بود.

پس از تکمیل این پروتکل‌ها، اندازه‌گیری‌ها در کانال‌های خروجی منفرد آزمایش نشان داد که اعداد فوتون‌ها دیگر نمی‌توانند دقیقاً تعریف شوند. این به این دلیل است که فوتون ها در یک حالت درهم تنیده با هم بودند و دیگر به صورت جداگانه در یک کانال منفرد به عنوان ورودی قرار نمی گرفتند. با این حال، آمار فوتون‌هایی که محققان در هر کانال اندازه‌گیری کردند نشان می‌دهد که آنتروپی به صورت محلی در همه کانال‌ها افزایش می‌یابد که مطابق با قانون دوم ترمودینامیک است. در عین حال، درهم تنیدگی که بین فوتون‌ها ایجاد می‌شود در کانال‌های مجزا قابل مشاهده نیست: تنها زمانی که کل سیستم را در نظر بگیریم، مشخص می‌شود که حالت کوانتومی کلی به شکل خالص و مطابق با مکانیک کوانتومی است.

به عنوان آخرین بررسی، فیزیکدانان عملیاتی را برای بازگرداندن پردازنده به حالت اولیه خود (برگشت زمان) انجام دادند. موفقیت این عملیات ثابت کرد که فرآیندهای گرمایی و تعادل به دلیل درهم تنیدگی بین ذرات کوانتومی است نه برهمکنش با محیط. از این رو، آزمایش نشان داد که ترمودینامیک و مکانیک کوانتومی هر دو می توانند همزمان درست باشند.

داده های با کیفیت بالا

مطابق با Pepijn Pinkseیکی از متخصصان اپتیک کوانتومی در دانشگاه توئنته، بزرگترین چالش این تیم بدست آوردن داده های با کیفیت بالا برای انجام اندازه گیری ها بود. او می‌گوید تلفات کم در پردازنده فوتونیک کمک کرد و فوتون‌های بیشتر و پردازنده‌های بزرگ‌تر باید آنها را قادر به شبیه‌سازی سیستم‌های بیشتری کند. او می‌افزاید که ضعیف‌ترین عنصر در زنجیره، به نظر می‌رسد منبع فوتون باشد: «ما حداقل 12 کانال ورودی داریم، اما تنها سه فوتون همزمان برای آزمایش داریم، بنابراین جایی برای بهبود وجود دارد.» دنیای فیزیک.

نظریه نامعلوم: چرا ترمودینامیک به اندازه مکانیک کوانتومی و نسبیت عام مهم است

نیکول یونگر هالپرنمتخصص ترمودینامیک کوانتومی در مؤسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) که در این تحقیق شرکت نداشت، می‌گوید که این آزمایش مهم است زیرا به فوتون‌های کارهای قبلی که شامل اتم‌های فوق‌سرد، یون‌های به دام افتاده و کیوبیت‌های ابررسانا بود، گسترش می‌یابد. او می‌گوید این تغییر پلتفرم، آزمایش‌گرایان را قادر ساخت تا فرآیندی را که منجر به تعادل درونی سیستم می‌شد، خنثی کنند، و این امکان را فراهم کرد که به این نتیجه برسیم که سیستم در حین تعادل، ماهیت کوانتومی خود را حفظ کرده است. او خاطرنشان می کند که انجام این کار مستلزم "میزان کنترل عالی" است، و اضافه می کند که چالش دستیابی به این کنترل باعث شده است که گروه هایی که از پلتفرم های دیگر استفاده می کنند، اضطراب قابل توجهی در چندین سال گذشته داشته باشند.

این تحقیق در منتشر شده است طبیعت ارتباطات.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. خودرو / خودروهای الکتریکی، کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• BlockOffsets. نوسازی مالکیت افست زیست محیطی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/