Avez-vous déjà essayé de décongeler votre dîner en le mettant dans un congélateur identique après l'autre ? Aussi étrange que cela puisse paraître, Des études récentes sur l'ordre causal indéfini - dans lequel différents ordres d'événements sont superposés quantiquement - suggèrent que cela pourrait réellement fonctionner pour les systèmes quantiques. Des chercheurs de l'Université d'Oxford montrent comment le phénomène peut être utilisé dans un type de réfrigération quantique.

Les résultats suivent des rapports sur les effets de l'ordre causal indéfini dans le calcul quantique et la communication quantique. « Les gens se demandaient :le modèle de circuit quantique est-il une description complète de chaque ordre quantique possible d'événements ? explique David Felce, un doctorat étudiant à l'Université d'Oxford, alors qu'il décrit comment la recherche sur l'ordre causal indéfini a émergé au cours des 10 dernières années.

Sonder cette question a conduit à des études d'états passant par des canaux dépolarisants dans lesquels un état initial bien défini se retrouve dans un état totalement aléatoire. Aucun transfert d'informations significatif n'est possible via un canal dépolarisant, mais les choses changent lorsque l'état quantique passe par un canal de dépolarisation après l'autre dans un ordre causal indéfini. Alors l'ordre des canaux est en superposition, et intriqué avec un qubit de contrôle, qui est dans une superposition d'états différents. Les chercheurs ont découvert que lorsqu'un état passe par deux canaux dépolarisants dans un ordre causal indéfini, une certaine quantité d'informations est transmise si le qubit de contrôle peut également être mesuré.

"La thermalisation est assez similaire à la dépolarisation, " explique Felce, expliquant qu'au lieu de vous donner un état complètement aléatoire, la thermalisation vous donne un état qui est principalement aléatoire avec une chance plus ou moins élevée d'être dans l'état d'énergie plus ou moins élevé en fonction de la température. "Je pensais, si vous thermalisez quelque chose deux fois dans un ordre causal indéfini, alors vous ne vous retrouverez pas avec l'état de température auquel vous vous attendriez." Les résultats de température inattendus de la thermalisation pourraient être thermodynamiquement utiles, il ajoute.

Felce et le professeur de sciences de l'information de l'Université d'Oxford, Vlatko Vedral, ont analysé les expressions d'un canal thermalisant décrit en des termes similaires à un canal dépolarisant et ont examiné les effets d'un ordre causal indéfini. Parmi les effets "bizarres" qu'ils ont trouvés, il y avait la possibilité de thermaliser un état quantique avec deux réservoirs thermiques à la même température avec un ordre causal indéfini et se retrouver avec l'état à une température différente. Les chercheurs proposent un cycle de réfrigération avec cela comme première étape. Prochain, il faudrait mesurer le qubit de contrôle pour savoir si la température de l'état quantique thermalisé a été élevée ou non. Si c'est le cas, thermaliser ensuite le même état classiquement avec un réservoir chaud (étape deux) puis un réservoir froid (étape trois) pourrait refroidir le réservoir froid car la chaleur transférée de l'état vers le réservoir froid serait inférieure à celle transférée par les réservoirs froids vers l'état à la première étape.

En un clin d'oeil, cela peut sembler en contradiction avec les lois de la thermodynamique. Un réfrigérateur conventionnel fonctionne parce qu'il est branché sur le secteur ou une autre source d'énergie, alors qu'est-ce qui fournit l'énergie pour la réfrigération quantique d'ordre causal indéfini ? Felce explique que cela peut être décrit de la même manière que le démon de Maxwell correspond aux lois de la thermodynamique.

Maxwell avait émis l'hypothèse qu'un démon surveillant la porte d'une cloison dans une boîte de particules pourrait mesurer la température des particules et ouvrir et fermer la porte pour trier les particules froides et chaudes dans des cloisons séparées de la boîte, diminuant l'entropie du système. Selon les lois de la thermodynamique, l'entropie devrait toujours augmenter en l'absence de travail effectué. Les scientifiques ont depuis expliqué l'apparente incohérence en soulignant que le démon mesure les particules, et que les informations stockées sur leurs températures mesurées nécessiteront une certaine quantité d'énergie pour s'effacer, l'énergie d'effacement de Landauer.

Felce fait remarquer que tout comme le démon de Maxwell, à chaque cycle du réfrigérateur quantique, il faut faire une mesure sur le qubit de contrôle pour savoir dans quel ordre les choses se sont passées. "Une fois que vous avez stocké ces informations essentiellement aléatoires sur votre disque dur, si vous souhaitez remettre votre disque dur dans son état initial, alors vous aurez besoin d'énergie pour effacer le disque dur, " dit-il. " Donc, vous pourriez penser à alimenter le réfrigérateur avec des disques durs vides, au lieu de l'électricité, courir."

Prochain, Felce envisage de rechercher des moyens de mettre en œuvre le réfrigérateur à ordre causal indéfini. Jusque là, des implémentations expérimentales d'ordres causaux indéfinis ont utilisé des qubits de contrôle dans une superposition d'états de polarisation. Un séparateur de faisceau dépendant de la polarisation enverrait alors un photon à travers un circuit dans une direction différente en fonction de la polarisation, de sorte qu'une superposition d'états de polarisation conduit à une superposition de l'ordre dans lequel le photon traverse les éléments du circuit. Felce souhaite également étudier la possibilité de généraliser les résultats à d'autres réservoirs.

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