Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, ETH Zurich, et Laboratoire National d'Argonne, NOUS, ont décrit un démon de Maxwell quantique étendu, un dispositif violant localement la deuxième loi de la thermodynamique dans un système situé à un à cinq mètres du démon. L'appareil pourrait trouver des applications dans les ordinateurs quantiques et les réfrigérateurs microscopiques qui refroidissent de minuscules objets avec une précision extrême. La recherche a été publiée le 4 décembre dans Examen physique B .

La deuxième loi de la thermodynamique dit que dans un système isolé, entropie, le degré de désordre ou d'aléatoire, ne diminue jamais.

"Notre démon fait qu'un appareil appelé qubit passe à un état plus ordonné, " a expliqué l'auteur principal de l'étude, Andrey Lebedev du MIPT et de l'ETH Zurich. " Surtout, le démon n'altère pas l'énergie du qubit et agit sur une distance énorme pour la mécanique quantique."

Tous les démons quantiques de Maxwell décrits ou créés jusqu'à présent par les auteurs ou d'autres chercheurs ont eu un rayon d'action très limité :ils étaient situés à proximité de l'objet sur lequel ils opéraient.

Parce que le démon a besoin d'être "initialisé, " ou préparé, avant chaque interaction avec le qubit, une certaine énergie est inévitablement dépensée à l'emplacement du démon. Cela signifie qu'à l'échelle mondiale, la deuxième loi tient toujours.

« pureté » démoniaque

L'étude propose que le qubit soit implémenté comme un atome artificiel supraconducteur, un dispositif microscopique comme celui que les chercheurs ont proposé précédemment pour être utilisé comme magnétomètre quantique. Un tel qubit serait constitué de films minces d'aluminium déposés sur une puce de silicium. La raison pour laquelle ce système est appelé un atome artificiel est qu'à des températures proches du zéro absolu, il se comporte comme un atome avec deux états de base :l'état fondamental et l'état excité.

Un qubit peut présenter simultanément des états "purs" et "impurs" mixtes. Si un qubit est dans l'un des deux états de base, mais on ne sait pas avec certitude lequel, son état est dit « impur ». Si c'est le cas, une probabilité classique de trouver l'atome artificiel dans l'un des deux états peut être calculée.

Cependant, comme un vrai atome, le qubit peut être dans une superposition quantique des états fondamental et excité. Une superposition quantique est un état spécial qui ne peut être réduit à aucun des états de base. Cet état dit pur, qui défie la notion classique de probabilité, est associé à plus d'ordre, et donc moins d'entropie. Il ne peut exister qu'une fraction de seconde avant de redevenir un état impur.

Le démon décrit dans l'article est un autre qubit connecté au premier par un câble coaxial transportant des signaux micro-ondes. Une conséquence du principe d'incertitude de Heisenberg est qu'une fois connecté par une ligne de transmission, les qubits commencent à échanger des photons virtuels, portions de rayonnement micro-ondes. Cet échange de photons permet aux qubits d'échanger leurs états.

Si un état pur est artificiellement induit chez le démon, il peut alors échanger des états avec le qubit cible, le dotant de « pureté » en échange d'un état impur de la même énergie. En purifiant le qubit cible, son entropie est réduite mais son énergie n'est pas affectée. Le résultat est que le démon canalise l'entropie loin d'un système isolé en termes d'énergie, à savoir, le qubit cible. Il en résulte la violation apparente de la deuxième loi si le qubit cible est considéré localement.

Nanoréfrigérateur quantique

Pouvoir purifier un qubit cible sur une distance macroscopique est important d'un point de vue pratique. Contrairement à l'état impur, le pur peut être commuté dans le sol ou l'état excité d'une manière relativement simple et prévisible à l'aide d'un champ électromagnétique. Cette opération peut être utile dans un ordinateur quantique, dont les qubits doivent être basculés dans l'état fondamental lors du lancement. Faire cela à distance est important, puisque la présence d'un démon proche de l'ordinateur quantique affecterait ce dernier de manière négative.

Une autre application possible du démon est la suivante :le passage du qubit cible à l'état pur et par la suite à l'état fondamental rend son environnement immédiat légèrement plus froid. Cela transforme le système proposé en un réfrigérateur nanométrique capable de refroidir des parties de molécules avec une précision extrême.

« Un réfrigérateur classique refroidit tout son volume, tandis que le qubit « nanofridge » ciblerait un endroit particulier. Cela pourrait bien être plus efficace dans certains cas, " a expliqué le co-auteur du journal Gordey Lesovik, qui dirige le Laboratoire de physique des technologies de l'information quantique du MIPT. "Par exemple, vous pourriez mettre en œuvre ce qu'on appelle le refroidissement algorithmique. Il s'agirait de fournir le code d'un primaire, programme « quantique » avec un sous-programme conçu pour cibler-refroidir spécifiquement les qubits les plus chauds.

"Une autre tournure est qu'avec n'importe quelle 'machine à chaleur, ' vous pouvez l'exécuter à l'envers, transformer un moteur thermique en réfrigérateur ou inversement, " a ajouté le physicien. " Cela nous amène avec un appareil de chauffage hautement sélectif, également. Pour l'allumer, nous basculerions le qubit cible dans l'état excité plutôt que dans l'état fondamental, rendant les allées et venues du qubit plus chaudes."

Ce cycle de refroidissement ou de chauffage peut être exécuté à plusieurs reprises, puisque le qubit cible conserve son état pur pendant une brève période, après quoi il entre à l'état impur, consommant ou émettant l'énergie thermique de l'environnement. A chaque itération, l'emplacement du qubit devient progressivement plus froid ou plus chaud, respectivement.

Outre la portée du démon, les auteurs ont estimé la température maximale du câble coaxial passant entre les qubits. Au dessus de cette température, les propriétés quantiques du système sont perdues et le démon ne fonctionne plus. Bien que la température du câble ne puisse dépasser quelques degrés au-dessus du zéro absolu, celle-ci est néanmoins environ 100 fois plus élevée que la température de travail des qubits. Cela facilite considérablement la mise en œuvre expérimentale de la configuration proposée.

L'équipe travaille déjà à la mise en œuvre de l'expérience.