Neděle, 29 listopadu
Shadow

Kvantový seriál III.: Vědci navrhli kvantově-částicovou „ledničku“

Tříqubitový chladič se třemi částicemi o různých teplotách (viz článek).
Tříqubitový chladič se třemi částicemi o různých teplotách (viz článek).

Lednička je v našem světě neodmyslitelnou a nepostradatelnou součástí domácnosti. Je to jeden z nejobyčejnějších vynálezů, a přitom geniální zařízení, které kromě toho, že nádherným způsobem demonstruje oba základní zákony termodynamiky, nám umožňuje obejít se bez podzemních katakomb, ve kterých si skladovali jídlo naši předkové v 16.-18. století. Pokud se trochu zamyslíme nad principem jejího fungování, vypadá trochu jako paradox: chladivo (plynné, dříve to byly neblaze proslavené freony, dnes existuje řada druhů) má v kompresoru teplotu okolí, tedy místnosti (případně jinou, ale rozhodně vyšší, než je v lednici). Před zahájením chladicího cyklu se teplota v lednici pohybuje podle konkrétního zařízení v mínusových hodnotách a okolí ji zahřívá, jakým způsobem jí tedy chladivo dokáže odebrat získané teplo? Neporušuje to zákony zachování energie? Odpověď je – ne, protože kompresor lednice vykonává práci tím, že plynné chladivo stlačí tak, že zkapalní a na opětovné zplynění odebere právě toto teplo.

Nedávné vědecké práce ukázaly, že je možné sestavit ledničku i z těch nejmenších objektů – kvantovou ledničku z atomů. Přinášíme našim čtenářům překlad a kompilaci dvou článků z vědeckých portálů Scientific American a Science Magazine z roku 2010, který popisuje, jak takový objekt funguje. Článek je poněkud náročnější na znalosti, najdete však v něm odkazy na jiné statě, popisující používané pojmy.

Jen pár kvantových objektů lze použít pro konstrukci soběstačného chladicího zařízení.

Skupina teoretických fyziků navrhla fyzikální koncept něčeho, co by mohlo být označeno za nejmenší představitelnou ledničku. Každé takové zařízení by mohlo ochlazovat jedinou částici, a potřebovalo by k tomu pouze jednu nebo dvě dodatečné částice.

Autory této myšlenky jsou teoretičtí fyzici z anglické University of Bristol, Noah Linden a Sandu Popescu, společně s postgraduálním studentem Paulem Skrzypczykem. Pokud by šel jejich návrh uskutečnit, mohl by najít uplatnění v přípravě qubitů (viz poznámka), u nichž by byl jejich stav na počátku nastaven na známou hodnotu. Qubity se známým počátečním stavem lze následně použít ke kvantovým výpočtům.

  • Qubit je zkrácené označení pro kvantový bit, pod čímž si lze představit (kvantovou) částici (atom, ion, foton, …), která se může nacházet mezi dvěma jistými kvantovými stavy (více o tomto tématu viz dřívější článek na http://atominfo.cz/2012/09/kvantova-teleportace-historie-a-vyhlidky/). Jako je klasický bit představován buď nulou nebo jedničkou, je qubit představován dvěma (kvantovými) stavy, které si můžeme pro jednoduchost též označit jako nula nebo jedna. Oproti bitu má qubit ale tu přednost, že se může nacházet i „kdekoli“ mezi těmito dvěma stavy. Tato skutečnost vyplývá z kvantové mechaniky a zhruba by se dala přirovnat k situaci, kdy by mohl klasický bit nabývat hodnot mezi nulou a jedničkou. Odpověď na otázku by tak v podání tohoto podivného bitu mohla znít nejen „ano“ (jednička) nebo „ne“ (nula), ale i „trochu ano a trochu ne“ (hodnoty mezi nulou a jedničkou).

Navržený model je v jistém smyslu jen zmenšená verze ledniček, které bzučí v kuchyních po celém světě – „zařízení“ má jeden qubit pohánějící chladicí proces, druhý qubit, jakousi chladicí spirálu pro odvádění tepla z prostoru ledničky, a nakonec qubit, který má být chlazen.

Kvantový stav qubitu (tj. částice) lze reprezentovat jeho energetickou hladinou (velikostí jeho energie). Každý qubit potřebuje jisté množství energie, aby se přesunul ze stavu 0 (s nižší energií) do stavu 1 (s vyšší energií), této energii se říká tzv. excitační energie. (Ještě jednodušší návrh ledničky spojuje pohon a chlazení do jediné částice se třemi energetickými hladinami, známé jako qutrit.)

V návrhu Bristolské teoretické skupiny je důležité, aby se součet excitačních energií chlazeného a poháněcího qubitu přesně rovnal excitační energii qubitu tvořícího „chladicí spirálu“. Díky této podmínce není nutné dodávat k přechodu od jednoho stavu, excitované spirály, k druhému stavu, excitovanému poháněcímu a chlazenému qubitu, žádnou dodatečnou energii. Jeden stav se tedy může snadno změnit na stav druhý, obě možnosti jsou si v jistém smyslu „rovny“.

Ale co když si obě možnosti rovny nejsou? Vložením každého qubitu do vlastní tepelné lázně s navzájem různými teplotami (tj. když bude mít každý qubit laicky řečeno různou teplotu) vyvedeme systém z rovnováhy. „Qubity mohou přecházet mezi oběma možnostmi sem a tam, my ale můžeme přecházení ovlivnit tím, že qubity vložíme do různých teplot,“ říká Popescu. Umístění poháněcího qubitu do horkého prostředí zvyšuje pravděpodobnost, že tento qubit zůstane v excitovaném stavu, čímž je pravděpodobnější, že celý systém bude ve stavu s excitovaným poháněcím a chlazeným qubitem, než s excitovanou „spirálou“.

Tento posuv v počátečních podmínkách znamená, že když se systém přesouvá mezi stavy se stejnou energií, tak je pravděpodobnější, že se chlazený qubit dostane z excitovaného stavu na svůj základní (chladný) stav než naopak. Tentýž posun způsobí přechod qubitu-spirály ze svého základního na excitovaný stav; prakticky systém přenáší excitace z chlazeného qubitu na „spirálu“, což odvádí energii do vlažné tepelné lázně qubitu-spirály.

A – poháněcí qubit vložený do horké lázně, B – chlazený qubit, C – qubit-spirála vložený do chladnější lázně: tři qubity a jim odpovídající excitační energie Ea, Eb, Ec. Součet excitačních energií poháněcího a chlazeného qubitu (Ea + Eb) je rovna excitační energii qubitu-spirály (Ec)
A – Poháněcí qubit vložený do horké lázně, B – chlazený qubit, C – qubit-spirála vložený do chladnější lázně: tři qubity a jim odpovídající excitační energie Ea, Eb, Ec. Součet excitačních energií poháněcího a chlazeného qubitu (Ea + Eb) je rovna excitační energii qubitu-spirály (Ec)

Ačkoli je návrh vyjádřen v pojmech základních stavů a excitací, jazyce kvantové mechaniky, výzkumníci říkají, že je rozhodně na místě přemýšlet o výsledku v klasičtějších pojmech termodynamiky. „Být chladnější znamená mít menší energii,“ říká Popescu; protože lednička snižuje energii chlazeného qubitu, jeho teplota také klesá. Jakmile má chlazený qubit teplotu nižší než prostředí, ve kterém se nachází, tak bude odnímat teplo ze svého okolí, poznamenává Linden. „Jak víme, že to pracuje jako klasická lednička? Lednička vskutku odebírá chladným objektům ve svých útrobách teplo“ říká.

Dokud zůstává tepelná lázeň pohánějícího qubitu teplejší než vlažná lázeň „spirály“, tak se bude proces samovolně opakovat a dál snižovat teplotu chlazeného qubitu. „Jde o to, že když si musíte vybrat mezi těmito dvěma energetickými stavy, nasměrujete systém k jednomu z nich, a to je to, co postupně ochlazuje qubit,“ říká Popescu. V principu dokáže tato mikroskopická lednička ochladit qubit na hodnotu jakkoli blízkou absolutní nule.

Někteří navrhli a dokonce sestrojili taková malá chladicí zařízení, říká Leonard Schulman, profesor informatiky z California Institute of Technology, ale tento přístup se liší svou soběstačností – qubity nepotřebují přijímat instrukce z vnějšku. Dodává, že jediné, co se na vnějším prostředí požaduje, jsou tepelné lázně ve dvou odlišných teplotách, dál se bude qubit už jen ‚chladit‘, donekonečna.

Dva fyzici, kteří experimentálně zrealizovali tříqubitový chladič využívající vnější rádiové pulzy, které poháněly chladicí proces, označili samovolnou miniaturní ledničku za slibný přístup. „Je to pěkná teoretická myšlenka,“ říká Osama Moussa, postdoktorand z Institute for Quantum Computing (IQC) spadající pod University of Waterloo. „Systém má několik parametrů, a pokud je jednou nastavíte, tak se už systém vyvíjí sám.“

Někteří naznačují, že takovéto maličké ledničky se již v přírodě vyskytují. Je možné, že tímto způsobem může jedna část biomolekuly ochlazovat část jinou, říká Hans Briegel, teoretický fyzik z innsbruckské univerzity. Mikroskopické ledničky by mohly najít využití např. v kvantových počítačích, kde by se podílely na zajištění jeho nepřerušovaného chodu.

Technicky vzato může být těžké najít – nebo zkonstruovat – systém s těmito přesnými parametry, jakými jsou velikosti excitačních energií, které si navzájem přesně odpovídají, nebo jakou je interakce mezi třemi qubity, která spojuje jejich energetické hladiny. Raymond Laflamme, vedoucí IQC, dodává: „Systém, kde můžete dostat takovou interakci mezi třemi tělesy, je velmi, velmi vzácný.“ To ale neznamená, že se experimentátoři nechají zastrašit výzvou plynoucí z této teoretické studie. „Jakmile víte, že je něco možné, je o mnoho jednodušší jít a najít to,“ říká Laflamme.

Zdroj: Scientific American (článek zde)

Science Magazine (článek zde)

 

 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..