Тепло как свидетель квантовых свойств

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые предложили инновационный подход к обнаружению квантовых свойств системы с использованием тепла в качестве индикатора, что позволяет избежать прямого измерения квантовой системы.

Этот метод связывает термодинамику с квантовой теорией информации, вдохновляясь концепцией демона Максвелла — мысленного эксперимента, предложенного в XIX веке, который предполагает возможность сортировки молекул газа по скоростям, что, казалось бы, нарушает второй закон термодинамики.

Авторы исследования, доктор Александре де Оливейра и профессор Джонатан Бор Браск из Технического университета Дании, а также профессор Патрик Липка-Бартосик из Ягеллонского университета в Польше, объяснили, что их подход основан на замене классической памяти на квантовую.

Это позволило обнаружить фундаментальную связь между тепловым потоком и квантовыми свойствами, такими как запутанность и когерентность. В отличие от традиционных методов, которые разрушают квантовое состояние системы, новый подход позволяет косвенно обнаруживать квантовые свойства, наблюдая за тепловыми сигнатурами при взаимодействии системы с окружающей средой.

«Вдохновленные демоном Максвелла, известным мысленным экспериментом в физике, мы исследовали, что происходит, когда классическая память заменяется квантовой. Это привело нас к открытию фундаментальной связи между тепловым потоком и уникальными квантовыми свойствами. Мы обнаружили, что квантовые системы проявляют свои особые черты просто путем обмена теплом с окружающей средой». Александре де Оливейра

Основная идея заключается в том, что квантовая память, выступая в роли катализатора, влияет на динамику теплообмена между системой и тепловой средой, не обмениваясь энергией. Это позволяет обнаруживать квантовые свойства, такие как запутанность, путем измерения изменений энергии в тепловой вспомогательной системе.

Исследователи продемонстрировали этот подход на примерах обнаружения запутанности и сертификации когерентности, подчеркнув его применимость в современных экспериментальных установках, таких как ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и квантовая электродинамика со сверхпроводящими кубитами.

Исследование открывает новые возможности для изучения квантовых свойств, связывая термодинамику и квантовую теорию информации. В будущем ученые планируют обобщить этот подход для количественной оценки многочастичных квантовых корреляций, что может быть особенно полезно в разработке практических квантовых приложений.

Этот метод может стать важным инструментом в развитии квантовых технологий, позволяя избежать экспоненциальных затрат, связанных с традиционными измерениями.