Создан двухкубитовый двигатель, работающий на запутывании и локальных измерениях

Исследователи из Института Néel-CNRS, Университета Сент-Луиса и Университета Рочестера реализовали двухкубитовый двигатель, питаемый запутанностью и локальными измерениями. Уникальная конструкция этого двигателя, описанная в статье, опубликованной в Physical Review Letters, может открыть захватывающие возможности для исследований термодинамики и послужить основой для разработки новых квантовых технологий.

«Наша работа основана на очень простом и глубоком эффекте квантовой механики: измерение квантовой системы нарушает систему, то есть изменяет ее состояние случайным образом», — говорят ученые. «Как непосредственное следствие, измерительное устройство обеспечивает квантовую систему энергией и энтропией, играя роль, подобную горячему источнику, питающему тепловой двигатель. Заметная разница заключается в том, что здесь топливо не тепловое, а квантовое.»

Несколько лет назад ученые из Института Néel-CNRS представили доказательство концепции двигателя, работающего на измерительном топливе, основанного на одном кубите. Это было первое из серии предложений, которые выявили энергетический аналог измерительных приборов.

До сих пор процессы измерения обычно моделировались с использованием классических теоретических подходов. В своей новой работе исследователи сделали смелый шаг вперед, открыв «черный ящик» измерительных приборов и посмотрев на него с точки зрения квантовой физики.

«Мы специально рассматривали возможность создания квантовых корреляций между измеряемой системой и «квантовым измерителем. Мы отслеживали потоки энергии и энтропии в этом процессе, раскрывая микроскопическое происхождение измерительного топлива. Это была самая важная цель нашей работы.»

Таким образом, в своем исследовании ученые сосредоточились на так называемых «композитных системах». Их анализ в конечном итоге привел к разработке двигателя с измерительной мощностью, основанного на запутанных кубитах. В дополнение к локальным измерениям, этот двигатель питается физическим явлением, известным как квантовая запутанность. Запутывание происходит, когда набор частиц взаимодействует или остается связанным таким образом, что действия, выполняемые одной, влияют на другую, даже если между ними существует значительное расстояние.

Новый двигатель, предложенный исследователями, имеет два кубита. Кубит — это квантовая система с двумя энергетическими состояниями: основным состоянием |0> и возбужденным состоянием |1>,

«Когда кубит измеряется в |1>, можно детерминистически извлечь из него квант энергии, называемый фотоном», — говорят ученые. «Когда фотон высвобождается, кубит возвращается к |0> за счет сохранения энергии. Соответственно, когда кубит находится в |0>, можно предоставить один фотон, чтобы возбудить его в состоянии |1>.»

Исследователи экспериментировали с двумя кубитами разных цветов: красным и синим. Красный кубит обменивается красными фотонами, в то время как синий обменивается синими фотонами. Примечательно, что красный кубит несет меньше энергии, чем синий кубит.

Протокол, используемый исследователями, первоначально предоставляет красный фотон красному кубиту, подготавливая |1a>, в то время как синий кубит равен |0b>. Впоследствии кубиты взаимодействуют, обмениваясь фотонами друг с другом, запутываясь.

«Затем мы измерили синий кубит. Если он измеряется в |0b>, мы возвращаемся в исходное состояние, и процесс перезапускается. Если он измеряется в |1b> , можно извлечь синий фотон. Поскольку синие фотоны более энергичны, чем красные, мы в среднем получаем энергию от этого процесса. Как мы показываем и анализируем, эта энергия исходит от измерительного устройства.»

Двигатель с измерительной мощностью, предложенный исследователями, основан на составном рабочем веществе, и запутывание играет решающую роль в его механизме заправки топливом. Исследователи смогли провести количественную оценку двух физических ресурсов, принесенных квантовыми измерениями, а именно информации и топлива. Кроме того, они изучили влияние этих ресурсов на производительность двигателя.

«Наши результаты дают новое понимание фундаментальных энергетических ресурсов, действующих при измерении квантовой системы или, что эквивалентно, при создании квантовых корреляций между квантовой системой и квантовым измерителем», — говорят ученые. «Первоначально эти результаты действительны в отсутствие четко определенной температуры, поскольку единственным рассматриваемым источником шума является само измерение.»

В будущем работа может вдохновить другие команды на создание аналогичных двигателей. Кроме того, работа может открыть совершенно новую область исследований, которую можно было бы назвать «квантовой энергетикой».

«Наши результаты проливают новый свет на постулат измерения в квантовой механике», — говорят исследователи. «Поскольку этот механизм все еще питает фундаментальные дебаты, можно надеяться, что квантовая энергетика предоставит новые измеримые величины для различных интерпретаций квантовой механики. С более прикладной стороны, энергетические следы квантовых измерений и запутывания окажут влияние на энергетические затраты квантовых технологий и их потенциал масштабируемости.»

Two-qubit engine fueled by entanglement and local measurements. Physical Review Letters(2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.120605