Chercheurs de l'Institut Néel-CNRS, L'Université de Saint Louis et l'Université de Rochester ont récemment réalisé un moteur à deux qubits alimenté par intrication et mesures locales. La conception unique de ce moteur, décrit dans un article publié dans Lettres d'examen physique , pourrait ouvrir des possibilités passionnantes pour la recherche en thermodynamique et éclairer le développement de nouvelles technologies quantiques.

"Notre article est basé sur un effet très simple et profond de la mécanique quantique :mesurer un système quantique perturbe le système, c'est à dire., change son état de manière aléatoire, " Alexia Auffèves, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, Raconté Phys.org . « En conséquence immédiate, le dispositif de mesure fournit à la fois de l'énergie et de l'entropie au système quantique, jouant un rôle similaire à une source chaude alimentant un moteur thermique. La différence notable est qu'ici, le carburant n'est pas thermique, mais quantique."

Il y a quelques années, Auffèves et certains de ses collègues de l'Institut Néel-CNRS ont présenté la preuve de concept d'un moteur à mesure basé sur un seul qubit. C'était la première d'une série de propositions qui ont révélé la contrepartie énergétique des appareils de mesure.

Jusque là, les processus de mesure étaient généralement modélisés à l'aide d'approches théoriques classiques. Dans leur nouveau papier, les chercheurs ont fait un pas en avant audacieux en ouvrant la «boîte noire» des appareils de mesure et en l'examinant du point de vue de la physique quantique.

"Nous avons spécifiquement envisagé la création de corrélations quantiques entre le système à mesurer et un 'mètre quantique, "", a déclaré Auffeves. "Nous avons suivi les flux d'énergie et d'entropie tout au long de ce processus, dévoilant l'origine microscopique du carburant de mesure. C'était l'objectif le plus important de notre travail."

Dans leur étude, Auffeves et ses collègues se sont donc concentrés sur les « systèmes composites ». Leur analyse a finalement abouti à la conception d'un moteur de mesure basé sur des qubits intriqués. En plus des mesures locales, ce moteur est alimenté par un phénomène physique connu sous le nom d'intrication quantique. L'intrication se produit lorsqu'un ensemble de particules interagissent ou restent connectés de telle sorte que les actions effectuées par l'une affectent l'autre, même s'il y a une distance importante entre eux.

Le nouveau moteur proposé par les chercheurs comporte deux qubits. Un qubit est un système quantique à deux états énergétiques :l'état fondamental |0> et l'état excité |1> ,

"Lorsqu'un qubit est mesuré dans |1> , on peut en extraire de manière déterministe un quantum d'énergie, surnommé un photon, " dit Auffèves. " Quand le photon est libéré, le qubit est revenu à |0> par des économies d'énergie. Respectivement, quand le qubit est dans |0> , on peut fournir un photon pour l'exciter dans le |1> Etat."

Auffèves et ses collègues ont joué avec deux qubits de couleurs différentes :un rouge et un bleu. Le qubit rouge échange des photons rouges, tandis que le bleu échange des photons bleus. Notamment, le qubit rouge transporte moins d'énergie que le qubit bleu.

Le protocole utilisé par les chercheurs fournit dans un premier temps un photon rouge au qubit rouge, préparation |1 une > tandis que le qubit bleu est |0 b > . Ensuite, les qubits interagissent en échangeant des photons entre eux, s'empêtrer.

"Nous avons ensuite mesuré le qubit bleu, " Auffeves dit. " Si elle est mesurée en |0 b > on revient à l'état initial, et le processus redémarre. S'il est mesuré en |1 b > un photon bleu peut être extrait. Comme les photons bleus sont plus énergétiques que les rouges, on gagne de l'énergie du processus en moyenne. Comme nous le montrons et analysons, cette énergie vient de l'appareil de mesure."

Le moteur de mesure proposé par Auffèves et ses collègues repose sur une substance de travail composite, et l'enchevêtrement joue un rôle crucial dans son mécanisme d'alimentation. Les chercheurs ont pu réaliser une évaluation quantitative des deux ressources physiques apportées par la mesure quantique, à savoir l'information et le carburant. En outre, ils ont examiné les effets de ces ressources sur les performances du moteur.

"Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur les ressources énergétiques fondamentales en jeu lorsqu'un système quantique est mesuré, ou équivalent, lorsque des corrélations quantiques sont créées entre un système quantique et un compteur quantique, " dit Auffèves. " A l'origine, ces résultats sont valables en l'absence d'une température bien définie car la seule source de bruit considérée est la mesure elle-même."

Auffèves et ses collègues ont été parmi les premiers à étendre les moteurs à mesure aux substances de travail composites et à proposer une interprétation microscopique du mécanisme d'alimentation. Leurs découvertes pourraient aider à étendre les concepts liés à la thermodynamique aux sources de bruit quantiques, tels que ceux qui peuvent apparaître à l'intérieur d'un cryostat.

À l'avenir, les travaux des chercheurs pourraient inspirer d'autres équipes à réaliser des moteurs similaires. En outre, leur étude pourrait ouvrir un champ de recherche entièrement nouveau, ce qu'ils suggèrent pourrait être appelé « énergétique quantique ».

"Nos résultats apportent un éclairage nouveau sur le postulat de la mesure en mécanique quantique, » a déclaré Auffèves. « Puisque ce mécanisme alimente encore des débats de fond, on peut espérer que l'énergétique quantique fournit de nouvelles quantités mesurables pour distinguer les différentes interprétations de la mécanique quantique. D'un côté plus appliqué, les empreintes énergétiques de la mesure quantique et de l'intrication auront un impact sur le coût énergétique des technologies quantiques et leur potentiel d'évolutivité. »

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