Квантовая механика и термодинамика могут быть правдой, говорят физики

Физики из Нидерландов и Германии показали, что теории термодинамики и квантовой механики являются правильными способами описания поведения фотонов в квантовом процессоре. Результаты, полученные исследователями из Университета Твенте и Свободного университета Берлина, открывают дверь для более глубокого понимания того, как примирить эти две великие теории.

Термодинамика и квантовая механика являются краеугольными камнями современной физики, но в одном особом важном аспекте они не ладят друг с другом. Предмет спора вращается вокруг второго закона термодинамики, который гласит, что закрытая система будет двигаться к максимальной энтропии (мера беспорядка или хаоса в системе) необратимым образом. Теория квантовой механики, напротив, позволяет вычислять предыдущие состояния частиц, а это означает, что поток информации и время обратимы.

В последние годы было предпринято несколько попыток исследовать этот конфликт с использованием запутанных квантовых систем, таких как ультрахолодные атомы или сверхпроводящие квантовые биты (кубиты). Наблюдая за тем, что происходит, когда эти системы термализуются и уравновешиваются, можно одновременно измерить их энтропию и квантовое состояние и, таким образом, разрешить парадокс.

Проблема в том, что квантовые системы очень чувствительны к взаимодействиям с окружающей средой. Это затрудняет создание действительно закрытой системы. Они также склонны к потере своей квантовой природы — процессу, известному как декогеренция, что затрудняет реализацию обращения времени.

Фотоника в помощь

Чтобы обойти эти проблемы, команда решила изучить термализацию и уравновешивание в системах запутанных фотонов. Фотоны имеют ряд преимуществ перед квантовыми системами, состоящими, например, из атомов. Их внутренняя квантовая природа означает, что они не страдают от декогеренции. Их можно изучать при комнатной температуре, в отличие от сверхнизких температур, необходимых для атомов, и ими легко манипулировать с помощью интерференции. Самое главное, они допускают обратимость во времени: любое смешивание фотонов можно обратить, выполнив обратную операцию, а это означает, что запутанные фотоны можно, по сути, «распутать».

Эксперимент начинается с введения одиночных фотонов в волноводные каналы чипа. Эти фотоны интерферируют там, где фотонные каналы на чипе встречаются и пересекаются. Эта интерференция, которую команда контролировала с помощью термооптических интерферометров Маха-Цендера, создает суперпозицию фотонов в волноводах и позволяет нарастать запутанности. Затем фотоны обнаруживаются однофотонными детекторами.

Одновременно верно

Чтобы определить локальное и общее увеличение энтропии системы, исследователи выполнили серию протоколов. Обратимость времени, например, была реализована путем распутывания фотонов, что стало возможным благодаря полному контролю над экспериментом процессора.

Как только эти протоколы были завершены, измерения в отдельных выходных каналах эксперимента показали, что число фотонов больше нельзя точно определить. Это связано с тем, что фотоны вместе находились в запутанном состоянии и больше не были индивидуально локализованы в одном канале, как они были на входе. Однако фотонная статистика, которую исследователи измерили в каждом канале, показала, что энтропия локально возрастала во всех каналах, что согласуется со вторым законом термодинамики. При этом запутанность, возникшая между фотонами, не видна в отдельных каналах: только при рассмотрении всей системы становится ясно, что общее квантовое состояние находится в чистом виде, согласующемся с квантовой механикой.

В качестве финальной проверки физики провели операции по возврату процессора в исходное состояние (обращение времени). Успех этих операций доказал, что процессы термализации и уравновешивания были обусловлены запутыванием между квантовыми частицами, а не взаимодействием с окружающей средой. Следовательно, эксперимент показал, что термодинамика и квантовая механика могут быть верны одновременно.

Высококачественные данные

По Пепейн Пинксе, эксперта по квантовой оптике из Университета Твенте, самая большая проблема команды состояла в том, чтобы получить достаточно высококачественных данных для выполнения измерений. По его словам, помогли низкие потери в фотонном процессоре, а большее количество фотонов и более крупные процессоры должны позволить моделировать больше систем. Он добавляет, что самым слабым элементом в цепочке, по-видимому, является источник фотонов: «У нас есть по крайней мере 12 входных каналов, но одновременно можно экспериментировать только с тремя фотонами, так что здесь есть место для совершенствования», — говорит он. Мир физики.

Невоспетая теория: почему термодинамика так же важна, как квантовая механика и общая теория относительности

Николь Юнгер Халперн, эксперт по квантовой термодинамике в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), не участвовавший в исследовании, говорит, что эксперимент важен, поскольку он распространяется на предыдущую работу фотонов, в которой участвовали ультрахолодные атомы, захваченные ионы и сверхпроводящие кубиты. Эта смена платформы, по ее словам, позволила экспериментаторам отменить процесс, который привел систему к внутреннему равновесию, что позволило сделать вывод, что система сохранила свою квантовую природу во время уравновешивания. Для этого требуется «отличный уровень контроля», отмечает она, добавляя, что проблема достижения такого контроля вызывала у групп, использующих другие платформы, значительное беспокойство в течение последних нескольких лет.

Исследование опубликовано в Природа связи.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/