Kwantummechanica en thermodynamica kunnen beide waar zijn, zeggen natuurkundigen - Physics World

Natuurkundigen in Nederland en Duitsland hebben aangetoond dat de theorieën van de thermodynamica en de kwantummechanica beide geldige manieren zijn om het gedrag van fotonen in een kwantumprocessor te beschrijven. De resultaten, verkregen door onderzoekers van de Universiteit Twente en de Freie Universität Berlin, openen de deur naar een dieper begrip van hoe deze twee grote theorieën met elkaar te verzoenen.

Thermodynamica en kwantummechanica zijn hoekstenen van de moderne natuurkunde, maar op één specifieke, belangrijke manier gaan ze niet goed met elkaar om. Het twistpunt draait om de tweede wet van de thermodynamica, die stelt dat een gesloten systeem op onomkeerbare wijze naar maximale entropie (een maatstaf voor de wanorde of chaos van het systeem) zal evolueren. De theorie van de kwantummechanica maakt het daarentegen mogelijk eerdere toestanden van deeltjes terug te berekenen, wat betekent dat de stroom van informatie en tijd beide omkeerbaar zijn.

De afgelopen jaren zijn er verschillende pogingen geweest om dit conflict te onderzoeken met behulp van verstrengelde kwantumsystemen zoals ultrakoude atomen of supergeleidende kwantumbits (qubits). Door te observeren wat er gebeurt als deze systemen thermaliseren en in evenwicht komen, zou het mogelijk moeten zijn om hun entropie- en kwantumtoestanden tegelijkertijd te meten, en zo de paradox op te lossen.

Het probleem is dat kwantumsystemen erg gevoelig zijn voor interacties met hun omgeving. Dit maakt het moeilijk om een ​​systeem te creëren dat echt gesloten is. Ze zijn ook gevoelig voor het verliezen van hun kwantumkarakter, een proces dat bekend staat als decoherentie, waardoor tijdomkering moeilijk te implementeren is.

Fotonica schiet te hulp

Om deze uitdagingen te omzeilen, koos het team ervoor om de thermalisatie en het evenwicht in systemen van verstrengelde fotonen te bestuderen. Fotonen hebben verschillende voordelen ten opzichte van kwantumsystemen die uit (bijvoorbeeld) atomen bestaan. Hun intrinsiek kwantumkarakter betekent dat ze niet lijden aan decoherentie. Ze kunnen bij kamertemperatuur worden bestudeerd, in tegenstelling tot de ultralage temperaturen die nodig zijn voor atomen, en zijn gemakkelijk te manipuleren met interferentie. Het allerbelangrijkste is dat ze tijdsomkeerbaarheid mogelijk maken: elke vermenging van de fotonen kan worden teruggedraaid door de inverse bewerking uit te voeren, wat betekent dat verstrengelde fotonen in feite kunnen worden ‘ontward’.

In het experiment beginnen de onderzoekers met het injecteren van afzonderlijke fotonen in golfgeleiderkanalen op een chip. Deze fotonen interfereren waar de fotonische kanalen op de chip elkaar ontmoeten en kruisen. Deze interferentie, die het team controleerde met thermo-optische Mach-Zehnder-interferometers, creëert een superpositie van fotonen in de golfgeleiders en zorgt ervoor dat verstrengeling kan ontstaan. De fotonen worden vervolgens gedetecteerd met detectoren met één foton.

Tegelijkertijd waar

Om de lokale en totale toename van de entropie van het systeem te bepalen, voerden de onderzoekers een reeks protocollen uit. Tijdomkeerbaarheid werd bijvoorbeeld geïmplementeerd door de fotonen te ontwarren, wat mogelijk was dankzij de volledige controle die de processor over het experiment geeft.

Toen deze protocollen eenmaal voltooid waren, toonden metingen in de afzonderlijke uitgangskanalen van het experiment aan dat het aantal fotonen niet langer precies kon worden gedefinieerd. Dit komt doordat de fotonen zich samen in een verstrengelde toestand bevonden en niet langer individueel in één kanaal gelokaliseerd waren zoals ze aan de ingang waren. Uit de fotonenstatistieken die de onderzoekers in elk kanaal maten, bleek echter dat de entropie lokaal in alle kanalen toenam, in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica. Tegelijkertijd is de verstrengeling die zich tussen fotonen heeft opgebouwd niet zichtbaar in de individuele kanalen: pas als je het hele systeem in ogenschouw neemt, wordt het duidelijk dat de algehele kwantumtoestand zich in een pure vorm bevindt, consistent met de kwantummechanica.

Als laatste controle voerden de natuurkundigen bewerkingen uit om de processor terug te brengen naar de oorspronkelijke staat (tijdomkering). Het succes van deze operaties bewees dat de processen van thermalisatie en evenwicht het gevolg waren van verstrengeling tussen de kwantumdeeltjes, en niet van interacties met de omgeving. Het experiment toonde dus aan dat thermodynamica en kwantummechanica beide tegelijkertijd waar kunnen zijn.

Gegevens van hoge kwaliteit

Think Pepijn Pinkse, een expert op het gebied van kwantumoptica aan de Universiteit Twente, was de grootste uitdaging van het team om voldoende gegevens van hoge kwaliteit te verkrijgen om de metingen uit te voeren. Lage verliezen in de fotonische processor hielpen, zegt hij, en meer fotonen en grotere processors zouden hen in staat moeten stellen meer systemen te simuleren. Het zwakste element in de keten, zo voegt hij eraan toe, lijkt de fotonenbron te zijn: “We hebben minstens twaalf ingangskanalen, maar slechts drie fotonen tegelijk om mee te experimenteren, dus daar is ruimte voor verbetering”, vertelt hij. Natuurkunde wereld.

De onbezongen theorie: waarom thermodynamica net zo belangrijk is als kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie

Nicole Yunger Halpern, een expert in kwantumthermodynamica bij het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST), die niet betrokken was bij het onderzoek, zegt dat het experiment belangrijk is omdat het zich uitstrekt tot eerder werk van fotonen waarbij ultrakoude atomen, gevangen ionen en supergeleidende qubits betrokken waren. Deze platformverandering, zegt ze, stelde de experimentatoren in staat het proces ongedaan te maken dat ertoe leidde dat het systeem intern in evenwicht kwam, waardoor de conclusie kon worden getrokken dat het systeem tijdens het evenwicht zijn kwantumkarakter had behouden. Om dit te doen is een “uitstekende mate van controle” nodig, merkt ze op, en voegt eraan toe dat de uitdaging om deze controle te bereiken de afgelopen jaren groepen die andere platforms gebruiken, aanzienlijke angst heeft bezorgd.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/