Физики открыли квантовый трюк для достижения абсолютного нуля

Состояние абсолютной неподвижности, известное как абсолютный нуль, – одно из невозможных достижений Вселенной. Как бы близко мы ни подошли, законы физики всегда будут препятствовать тому, чтобы мы достигли термального дна.

Международная группа исследователей определила новый теоретический путь достижения мифической отметки нуля Кельвина, или -273,15 градуса Цельсия (-459,67 градуса по Фаренгейту). Нет, скорее всего, это не нарушит какие-либо законы и не удалит все остатки тепла, но эта схема может вдохновить на новые способы исследования материи при низких температурах.

Как следствие третьего закона термодинамики, удаление приращений тепловой энергии от группы частиц для их охлаждения до абсолютного нуля всегда будет занимать бесконечное число шагов. Таким образом, для достижения этого требуется бесконечное количество энергии. Довольно сложная задача.

Классическая физика делает это относительно очевидным. Однако в контексте квантовой физики проблема начинает выглядеть несколько иначе.

Квантовая физика описывает частицы в соответствии с разбросом возможностей. Только когда свойство измерено, оно обретает конкретное состояние, и даже тогда другие качества частицы становятся немного менее определенными. Частица в теоретической точке абсолютного нуля не будет двигаться, а значит, ее положение будет определенным. Квантовые детали, касающиеся его предыдущего положения, будут эффективно стерты с удалением информации.

Вот принцип Ландауэра, который гласит, что удаление фрагмента информации требует минимального и конечного количества энергии.

Действительно ли. Значит ли это, что существует квантовый трюк для снижения до нуля?

Есть два решения парадокса. Для совершения этого прыжка все еще может потребоваться бесконечное количество времени или энергии. Или, согласно новому исследованию, потребуется удалить бесконечное количество сложности.

Именно это новое открытие роли сложности представляет новый угол поиска пути к абсолютному нулю. , даже если это такое же практически невозможное решение, как те, с которыми ученые уже работали.

«Мы обнаружили, что можно определить квантовые системы, которые позволяют достичь абсолютного основного состояния даже при конечной энергии и за конечное время — этого никто из нас не ожидал», — говорит физик элементарных частиц Маркус Хубер из Венского технологического университета в Австрии.

«Но у этих особых квантовых систем есть еще одно важное свойство: они бесконечно сложны. .»

Теперь у нас есть, по сути, «квантовая версия» третьего закона термодинамики, которая выходит за рамки того, чему нас учит классическая физика: бесконечное количество энергии, времени или сложности em> требуется, чтобы достичь абсолютного нуля.

Расчеты и моделирование, проведенные командой, также показывают, что идеальное стирание данных и минимально возможная температура тесно связаны между собой, и оба эти явления, по-видимому, невозможно достичь с помощью мы простые смертные.

Возможно, что увеличение сложности систем — это еще один способ приблизиться к абсолютному нулю или, по крайней мере, действовать быстрее.

«Если вы хотите полностью стереть квантовой информации в квантовом компьютере и в процессе перевода кубита в совершенно чистое основное состояние, то теоретически вам понадобится бесконечно сложный квантовый компьютер, который может идеально управлять бесконечным числом частиц», — говорит Хубер.

С практической точки зрения, никакая компьютерная система никогда не бывает идеальной, поэтому идея о том, что частица в квантовом компьютере никогда не может быть полностью стерта со своими данными (или предыдущими состояниями), не должна быть камнем преткновения в развитии этих технологий.

Квантовая механика и температура тесно связаны — когда мы приближаемся к абсолютному нулю, начинают происходить странные квантовые явления — и исследователи говорят, что это еще одна область, где результаты этого исследования могут быть полезны в будущем. .

«Именно поэтому так важно лучше понять связь между квантовой теорией и термодинамикой», — говорит Хубер. «В настоящее время в этой области наблюдается большой интересный прогресс. Постепенно становится возможным увидеть, как эти две важные части физики переплетаются».

Исследование опубликовано в PRX Quantum.

р>