Группа ученых описала технологию дистанционного управления энтропией конкретных кубитов, которая фактически локально нарушает второй закон термодинамики в системе. Устройство можно применять точечного охлаждения квантовых компьютеров, создания нанохолодильников или нагревателей.
Один из основных законов физики гласит, что неупорядоченность, энергетически изолированной системы не может самопроизвольно уменьшаться. Однако исследователи из Московского физико-технического института с коллегами из США и Швейцарии представили устройство, позволяющее манипулировать этим состоянием, изменяя его по требованию. Если быть точным, то они описали пространственно-разнесенного квантового демона Максвелла, действующего на расстоянии до 5 метров.
В качестве кубита ученые использовали крошечное сверхпроводящее устройство, состоящее из тонких слоев алюминия на кремниевом чипе. Систему называют искусственным атомом потому, что в условиях сверхнизкой температуры, она ведет себя как элементарная частица с двумя энергетическими уровнями. Оказавшись связанными, кубиты начинают обмениваться виртуальными фотонами, что ведет к изменению их состояния.
Приведенное в чистое состояние второе устройство (демон), передает его первому, а само становится «грязным». При этом рабочий кубит уменьшает свою энтропию, сохраняя прежнюю энергию. По сути, второе устройство «съедает» неупорядоченность.
В качестве примера можно привести бильярдные шары, которые после удара кием разлетаются во все стороны. Описанная технология заставляет все шары вернуться в исходное состояние, фактически поворачивая время вспять.
Поскольку кубиты находятся в чистом состоянии лишь доли секунды, то манипуляции можно проводить многократно. На практике это можно использовать для разработки алгоритмического охлаждения квантового компьютера, подпрограммы, которая сможет прицельно охлаждать отдельные кубиты, уменьшив количество шума и ошибок.
Также можно создать микроскопический холодильник, воздействующий не на весь объем, а на конкретные точки. Поскольку процесс можно запустить в обратном направлении, то возможно не только охлаждение, но и нагрев.
При работе с двумя кубитами эффект достигался в 85% случаев, а с добавлением третьего, успешными были лишь 50%. Однако ученые планируют снизить частоту ошибок путем совершенствования используемого оборудования.
Недавно физики разработали не менее удивительное устройство - фотоакустический насос с лазерным приводом, который способен перемещать жидкости в любом направлении без движущихся частей или электрических контактов.
текст: Илья Бауэр, фото: Getty Images