Bien que de nombreuses théories acceptées aujourd'hui de la thermodynamique classique soient antérieures à la révolution industrielle qu'elles ont contribué à propulser, de nombreuses questions restent ouvertes sur la façon dont ces idées se traduisent au niveau de systèmes quantiques uniques. En particulier, le potentiel de superposition d'états a des implications encore inexplorées pour le comportement thermodynamique. Maintenant, une collaboration de chercheurs au Japon, l'Ukraine et les États-Unis ont produit un dispositif quantique qui peut non seulement se comporter de manière analogue à un moteur thermique et à un réfrigérateur, mais aussi une superposition des deux à la fois.

Keiji Ono, Sergey Shevchenko et Franco Nori, qui partagent une affiliation avec RIKEN au Japon, parmi leurs autres institutions, L'Institut B. Verkin pour la physique et l'ingénierie des basses températures et l'Université du Michigan ont tous travaillé avec des qubits sous diverses formes. Ils se sont réunis pour examiner le comportement des qubits basés sur les impuretés du silicium pour l'interférométrie quantique avant de se pencher sur la façon dont le comportement de ces systèmes pourrait ressembler à des moteurs thermiques classiques.

Défis expérimentaux

L'exploration de la thermodynamique au niveau quantique ouvre des possibilités intrigantes. « L'un des sujets abordés dans ce domaine est la possibilité des moteurs thermiques quantiques de dépasser l'efficacité des moteurs classiques, " Shevchenko suggère à titre d'exemple. Cependant, ce n'est pas sans défis, ce qui signifie que la plupart des études jusqu'à présent ont été purement théoriques. Entre autres caractéristiques, pour l'ingénierie quantique, il est important d'avoir des qubits "chauds, dense, et cohérent, " Shevchenko dit à Phys.org. Ici, "chaud" signifie travailler dans le régime de quelques Kelvin, lequel, tout en étant encore assez glacial, est moins difficile sur le plan technologique que les systèmes qui nécessitent un refroidissement à millikelvins. Le compromis est que ces systèmes chauds sont plus difficiles à décrire et à contrôler, mais ici, les chercheurs ont pu exploiter leur richesse d'expertise avec des qubits à base de silicium.

Ono, Shevchenko et Nori et leurs collaborateurs ont basé leurs études de thermodynamique quantique sur un transistor à effet de champ à effet tunnel fabriqué à partir d'impuretés densément implantées dans le silicium. Sous des tensions source-gain, le transport à travers leur appareil est dominé par un tunnel entre une impureté près de la surface (peu profonde) et une à proximité mais plus profondément dans le matériau, créer un appareil à deux niveaux d'énergie. Le comportement de transport d'électrons du dispositif donne lieu à des caractéristiques de spin intéressantes, en particulier, une résonance de spin électronique dans laquelle le courant source-drain atteint un pic pour des champs magnétiques CA et CC appliqués spécifiques. De ce pic de résonance, ils ont pu extraire deux échelles de temps caractéristiques qui reflètent la durée de vie de l'état excité sur l'impureté et son temps de décohérence. Le temps de décohérence définit combien de temps une relation de phase définie est conservée entre sa fonction d'onde et les autres, qui permet la superposition et l'interférence.

En plus de pouvoir piloter l'appareil avec la tension de grille pour peupler les deux niveaux d'énergie, les chercheurs pourraient également ajuster l'écart entre les niveaux d'énergie en modulant la fréquence et l'amplitude des champs magnétiques. Par conséquent, selon que le système était conduit à l'état excité lorsque l'écart était grand et détendu lorsqu'il était plus petit ou l'inverse, il fonctionnerait de manière analogue à un moteur thermique ou à un réfrigérateur Otto. Les effets quantiques intéressants se produisent lorsque la période de relaxation et la période de la tension d'entraînement commencent à coïncider. À ce point, ils montrent que la fonction du dispositif peut être dans une superposition à la fois d'un état moteur et d'un état réfrigérateur. Les calculs théoriques de la probabilité d'excitation correspondaient parfaitement aux courants de crête mesurés.

Limites et évolutions futures

Il existe quelques distinctions entre le fonctionnement de leur dispositif quantique et un moteur thermique classique ou un réfrigérateur. En particulier, il n'y a pas de bains de chaleur, bien que leur appareil soit connecté à des fils de tension plus élevés et plus bas, agissant comme des analogues électriques des bains de chaleur. Néanmoins, Chevtchenko dit, "Il est surprenant d'envisager la nouvelle possibilité d'avoir une superposition quantique d'un petit moteur et d'un petit réfrigérateur."

Alors que le premier à reconnaître que dans le cas macroscopique ou classique, un tel dispositif ne répondrait pas à de nombreuses exigences pratiques, les chercheurs espèrent que pour les objets quantiques, cela pourra introduire de nouvelles fonctionnalités non seulement intéressantes mais aussi utiles. Comme autre exemple, Shevchenko cite le laser, qui a été inventé bien avant que les applications désormais omniprésentes ne deviennent apparentes. "Nous pensons que nos résultats sont scientifiquement intéressants, " Shevchenko dit à Phys.org. " Pour le moment, nous explorons sa physique de base, et [croire] que les applications possibles ne sont pas claires pour le moment. Cela arrive souvent en science."

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