Chercheurs de l'Université de Florence et de l'Istituto dei Sistemi Complessi, en Italie, ont récemment prouvé que le caractère invasif des mesures quantiques pourrait ne pas toujours être préjudiciable. Dans une étude publiée dans Lettres d'examen physique , ils ont montré que cette qualité invasive peut effectivement être exploitée, en utilisant des mesures quantiques pour alimenter un moteur de refroidissement.

Michèle Campisi, l'un des chercheurs impliqués dans l'étude, étudie les phénomènes quantiques depuis plusieurs années. Dans ses récents travaux, il a étudié si les phénomènes quantiques peuvent avoir un impact sur la thermodynamique des dispositifs nanoscopiques, tels que ceux employés dans les ordinateurs quantiques.

« La plupart des collègues sur le terrain s'intéressaient à la cohérence et à l'intrication alors que seuls quelques-uns se penchaient sur un véritable phénomène quantique, c'est à dire., le processus de mesure quantique, " Campisi a déclaré à Phys.org. " Ces études suggèrent que vous devez accompagner les mesures d'un contrôle par rétroaction, comme dans le démon de Maxwell, afin d'exploiter leur potentiel. J'ai commencé à y penser, et eureka—puisque les mesures quantiques sont très invasives, ils s'accompagnent d'échanges énergétiques, peut donc être utilisé pour alimenter des moteurs sans avoir besoin de faire un contrôle de rétroaction. »

La deuxième loi de la thermodynamique stipule que la chaleur s'écoule naturellement des corps chauds vers les corps froids. Des études antérieures ont montré qu'il existe deux façons d'inverser ce flux naturel de chaleur :en utilisant le travail fourni par un force motrice dépendante du temps ou en mettant en œuvre un démon Maxwell, qui dirige la chaleur via une boucle de contrôle de rétroaction.

Dans leur étude, Campisi et ses collègues ont montré qu'il existe, En réalité, une troisième méthode pour inverser le flux de chaleur, qui est basé sur la mécanique quantique. Cette technique implique l'utilisation de mesures quantiques invasives comme combustible qui alimente la réfrigération, sans aucun contrôle de rétroaction. Les chercheurs appellent ce mécanisme le refroidissement par mesure quantique (QMC).

"Le cadre mathématique général est la mécanique quantique standard, mais nous avons dû utiliser un mélange de méthodes numériques et analytiques avancées pour étudier toutes les facettes du refroidissement de la mesure quantique, " Lorenzo Buffoni, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. "Par exemple, afin d'évaluer sa robustesse au bruit expérimental, nous avons utilisé un échantillonnage Monte Carlo étendu de l'espace à haute dimension des projecteurs de mesure possibles, et utilisé des techniques d'apprentissage automatique pour analyser et visualiser les données."

Campisi et ses collègues ont illustré QMC au moyen d'un moteur prototypique à deux temps et à deux qubits. Ce moteur interagit avec l'appareil de mesure employé par les chercheurs, ainsi qu'avec deux réservoirs de chaleur réglés à des températures différentes.

"Nous nous sommes également lancés dans la tâche de trouver les performances thermodynamiques optimales par des méthodes analytiques, ce qui était très difficile, " Andréa Sofanelli, un autre chercheur qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Nous avons utilisé le théorème de Birkhoff pour exprimer la matrice dite de transition (contenant toutes les informations pertinentes sur les échanges d'énergie dans notre problème) en termes de permutations, ce qui a simplifié le problème. Mais nous sommes restés coincés avec cela jusqu'à ce que nous trouvions un théorème peu connu d'algèbre linéaire datant du début des années 1990, qui a finalement conduit à la solution."

Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli et leur collègue Paola Verrucchi ont démontré que le caractère invasif des mesures quantiques peut être utilisé pour alimenter un moteur de refroidissement via le mécanisme QMC qu'ils ont signalé. QMC ne nécessite pas de contrôle de rétroaction, mais l'intrication doit être présente dans les projecteurs de mesure.

Les chercheurs ont calculé la probabilité que QMC se produise lorsque la base de mesure est sélectionnée au hasard. Ils ont constaté que cette probabilité peut être très grande par rapport à la probabilité d'extraire de l'énergie (c'est-à-dire de faire fonctionner le moteur thermique), pourtant elle est inférieure à la probabilité de l'opération la moins importante (c'est-à-dire décharger de la chaleur dans les deux bains).

"Montrer que la mesure d'un système quantique constitué de deux qubits peut produire par elle-même (c'est-à-dire sans contrôle de rétroaction) des effets thermodynamiques utiles représente sûrement le résultat le plus significatif de notre recherche, " Alessandro Cuccoli, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. « Cela découle de l'examen du processus de mesure quantique dans une perspective plus large, où à la fois le système et son environnement, et les échanges énergétiques accompagnant la mesure, sont considérés."

Selon Cuccoli, le moteur thermique à deux quibits développé par les chercheurs pourrait facilement être conçu pour fonctionner comme un dispositif de refroidissement. Ce serait, entre autres, permettre la fabrication d'unités de traitement d'un ordinateur quantique à intégrer à des dispositifs auxiliaires pouvant les maintenir à la basse température requise, car les deux peuvent être obtenus en utilisant des qubits.

"Une autre observation perspicace est que pour obtenir des effets thermodynamiques utiles, le processus de mesure doit impliquer des états « intriqués », c'est-à-dire des états corrélés particulièrement quantiques des deux qubits, révélant ainsi le lien intime entre les échanges d'informations et d'énergie, " Cuccoli a ajouté. " L'approfondissement de notre compréhension d'une telle relation dans les moteurs quantiques nanoscopiques est l'un des principaux défis qui animent nos recherches actuelles et futures dans le domaine de la thermodynamique quantique. "

L'étude menée par Campisi, Buffoni, Cuccoli, Solfanelli et Verrucchi ont introduit un tout nouveau mécanisme qui peut inverser le flux naturel de chaleur, intervenant avec la deuxième loi de la thermodynamique, sans exigences de contrôle de rétroaction. À l'avenir, leurs découvertes pourraient avoir de nombreuses applications, par exemple, aider au développement de dispositifs pour refroidir les ordinateurs quantiques.

L'équipe de chercheurs impliqués dans cette étude fait partie d'un consortium de collaboration qui implique 12 groupes de recherche de classe mondiale, comprenant des expérimentateurs et des théoriciens de huit U.E. des pays. Ils recherchent actuellement les ressources nécessaires pour soutenir leur travail dans les années à venir.

"Nous sommes impatients de collaborer avec des groupes expérimentaux qui pourraient être intéressés par la construction d'un refroidisseur à mesure quantique fonctionnel, " a déclaré Campisi. " La compréhension et la maîtrise complètes de l'énergétique des systèmes et dispositifs quantiques sont nécessaires de toute urgence, et appelle à un effort international conjoint afin d'accélérer le développement technologique."

© 2019 Réseau Science X