(Phys.org)—Au cours des dernières années, les physiciens ont développé des raccourcis quantiques qui accélèrent le fonctionnement des systèmes quantiques. Étonnamment, certains de ces raccourcis semblent théoriquement permettre aux systèmes de fonctionner presque instantanément sans utiliser d'énergie supplémentaire, une violation flagrante de la deuxième loi de la thermodynamique. Même si les physiciens savent que quelque chose ne va pas, jusqu'à présent, la solution à cette situation n'a pas été claire.

Maintenant dans une nouvelle étude, les physiciens ont montré que les raccourcis quantiques sont soumis à un compromis entre vitesse et coût, de sorte que plus un système quantique évolue vite, plus le coût énergétique de la mise en œuvre du raccourci est élevé. Conformément aux lois de la thermodynamique, une vitesse infiniment rapide serait impossible car elle nécessiterait une quantité infinie d'énergie.

Les physiciens, Steve Campbell à l'Université Queen's de Belfast au Royaume-Uni et à l'Université de Milan en Italie, avec Sebastian Deffner de l'Université du Maryland dans le comté de Baltimore aux États-Unis, ont publié un article sur le compromis entre le coût et la vitesse dans les raccourcis quantiques dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

"Certaines méthodes récemment proposées pour contrôler les systèmes quantiques, appelés raccourcis vers l'adiabaticité (STA), semblent être énergétiquement gratuits, et encore plus inquiétant, il n'y avait rien à dire qu'ils ne pouvaient pas être atteints en des temps extrêmement courts, " Campbell a dit Phys.org . "Ce quelque chose n'allait pas nous a amenés à considérer plus explicitement ce qui se passe lorsque ces techniques sont appliquées."

Pour faire ça, les scientifiques ont appliqué la limite de vitesse quantique, une limite supérieure fondamentale de la vitesse à laquelle un système quantique peut fonctionner, qui survient en raison du principe d'incertitude de Heisenberg. Puisque la limitation de vitesse quantique est une conséquence de ce principe fondamental, il doit s'appliquer à toutes les STA, et donc il devrait leur interdire d'opérer dans des délais arbitrairement courts.

"En calculant la limite de vitesse quantique, nous avons montré que plus vite vous voulez manipuler un système à l'aide d'un STA, plus le coût thermodynamique est élevé, " Campbell. " De plus, la manipulation instantanée est impossible car il faudrait une énergie infinie pour y être mis. »

Comme les scientifiques l'ont expliqué, les résultats ne sont pas particulièrement surprenants, juste quelque chose qui a pris du temps à comprendre.

"Je crois que c'est un autre cas de 'si quelque chose semble trop beau pour être vrai, c'est généralement le cas, '", a déclaré Deffner. "Il y avait probablement un sentiment général dans la communauté qu'il faudrait quantifier le coût. Nous n'étions que les premiers à le résoudre."

Pour démontrer l'utilité de ce compromis, les physiciens l'appliquèrent à deux systèmes pratiques. Le premier est les oscillateurs harmoniques, qui ont un large éventail d'utilisations, y compris dans les tests de thermodynamique quantique. Le second est le modèle Landau-Zener, qui a des applications en calcul quantique adiabatique, tel qu'il est utilisé dans la machine D-Wave.

Dans les deux modèles, le compromis impose des limites pratiques à l'accélération ultime de ces systèmes offerts par les STA. Les scientifiques s'attendent à ce que ces limitations aident à guider la conception et la mise en œuvre de ces systèmes quantiques et d'autres à l'avenir.

« Nous aimerions également nous pencher sur les autres techniques de STA qui ont été développées, et voir si nous pouvons trouver des compromis similaires, " a déclaré Deffner. " Une autre voie importante sera de généraliser notre travail à la mécanique quantique non standard, tels que les matériaux de Dirac et les systèmes non linéaires."

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