Kvantemekanikk og termodynamikk kan begge være sanne, sier fysikere – Physics World

Fysikere i Nederland og Tyskland har vist at teoriene om termodynamikk og kvantemekanikk begge er gyldige måter å beskrive oppførselen til fotoner i en kvanteprosessor. Resultatene, innhentet av forskere ved University of Twente og Freie Universität Berlin, åpner døren til en dypere forståelse av hvordan man kan forene disse to store teoriene.

Termodynamikk og kvantemekanikk er hjørnesteiner i moderne fysikk, men på en spesifikk, viktig måte kommer de ikke godt overens. Stridsmålet dreier seg om termodynamikkens andre lov, som sier at et lukket system vil bevege seg mot maksimal entropi (et mål på systemets uorden, eller kaos) på en irreversibel måte. Teorien om kvantemekanikk, derimot, lar tidligere tilstander av partikler beregnes tilbake, noe som betyr at strømmen av informasjon og tid begge er reversible.

De siste årene har det vært flere forsøk på å utforske denne konflikten ved å bruke sammenfiltrede kvantesystemer som ultrakalde atomer eller superledende kvantebiter (qubits). Ved å observere hva som skjer når disse systemene termaliserer og ekvilibrerer, bør det være mulig å måle deres entropi og kvantetilstander samtidig, og dermed løse paradokset.

Problemet er at kvantesystemer er svært følsomme for interaksjoner med miljøet. Dette gjør det vanskelig å lage et system som virkelig er lukket. De er også utsatt for å miste sin kvantenatur, en prosess kjent som dekoherens, som gjør tidsreversering vanskelig å implementere.

Fotonikk til unnsetning

For å komme rundt disse utfordringene, valgte teamet å studere termalisering og ekvilibrering i systemer med sammenfiltrede fotoner. Fotoner har flere fordeler fremfor kvantesystemer sammensatt av (for eksempel) atomer. Deres iboende kvantenatur betyr at de ikke lider av dekoherens. De kan studeres ved romtemperatur, i motsetning til de ultralave temperaturene som er nødvendige for atomer, og er enkle å manipulere med interferens. Det viktigste er at de gir mulighet for tidsreversibilitet: enhver blanding av fotonene kan reverseres ved å utføre den inverse operasjonen, noe som betyr at sammenfiltrede fotoner faktisk kan "løses fra hverandre".

I eksperimentet begynner forskerne med å injisere enkeltfotoner i bølgelederkanaler på en brikke. Disse fotonene forstyrrer der de fotoniske kanalene på brikken møtes og krysser hverandre. Denne interferensen, som teamet kontrollerte med termoptiske Mach-Zehnder-interferometre, skaper en superposisjon av fotoner i bølgelederne og lar sammenfiltring bygges opp. Fotonene blir deretter detektert med enkeltfotondetektorer.

Samtidig sant

For å bestemme systemets lokale og totale økning i entropi, utførte forskerne en rekke protokoller. Tidsreversibilitet ble for eksempel implementert ved å løsne fotonene, noe som var mulig på grunn av den fulle kontrollen prosessoren gir over eksperimentet.

Når disse protokollene var fullført, viste målinger i eksperimentets individuelle utgangskanaler at fotonnummer ikke lenger kunne defineres nøyaktig. Dette er fordi fotonene var i en sammenfiltret tilstand og ikke lenger individuelt lokalisert i en enkelt kanal slik de var ved inngangen. Imidlertid viste fotonstatistikken forskerne målte i hver kanal at entropien økte lokalt i alle kanalene, i samsvar med termodynamikkens andre lov. Samtidig er sammenfiltringen som bygges opp mellom fotoner ikke synlig i de enkelte kanalene: først når man ser på hele systemet blir det klart at den generelle kvantetilstanden er i en ren form, i samsvar med kvantemekanikken.

Som en siste sjekk utførte fysikerne operasjoner for å returnere prosessoren til sin opprinnelige tilstand (tidsreversering). Suksessen til disse operasjonene beviste at prosessene med termalisering og ekvilibrering skyldtes sammenfiltring mellom kvantepartiklene, snarere enn interaksjoner med miljøet. Derfor viste eksperimentet at termodynamikk og kvantemekanikk begge kan være sanne på samme tid.

Data av høy kvalitet

Ifølge Pepijn Pinkse, en kvanteoptikkekspert ved University of Twente, var teamets største utfordring å få nok data av høy kvalitet til å utføre målingene. Lave tap i den fotoniske prosessoren hjalp, sier han, og flere fotoner og større prosessorer skulle gjøre dem i stand til å simulere flere systemer. Det svakeste elementet i kjeden, legger han til, ser ut til å være fotonkilden: "Vi har minst 12 inngangskanaler, men bare tre fotoner på samme tid å eksperimentere med, så det er rom for forbedringer der," forteller han Fysikkens verden.

Den ukjente teorien: hvorfor termodynamikk er like viktig som kvantemekanikk og generell relativitet

Nicole Yunger Halpern, en ekspert på kvantetermodynamikk ved US National Institute of Standards and Technology (NIST) som ikke var involvert i forskningen, sier at eksperimentet er viktig fordi det strekker seg til fotoner tidligere arbeid som involverte ultrakalde atomer, fangede ioner og superledende qubits. Denne endringen av plattform, sier hun, gjorde det mulig for eksperimentalistene å angre prosessen som førte til at systemet kom i ekvilibrering internt, noe som gjorde det mulig å konkludere med at systemet hadde beholdt sin kvantenatur mens det var i ekvilibrering. Å gjøre dette krever en "utmerket mengde kontroll", bemerker hun, og legger til at utfordringen med å oppnå denne kontrollen har forårsaket betydelig angst for grupper som bruker andre plattformer de siste årene.

Forskningen er publisert i Nature Communications.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/