Квантовые физики выдумывают самый маленький холодильник

У Вас может быть Низкий холодильник за 10 000$ в Вашей кухне, но это более холодно. Теоретические физики выдумали схему сделать холодильник из пары квантовых частиц, таких как ионы или атомы, или даже единственная частица. Холодильники могут быть самыми маленькими возможными. “Это очень изящно и инновационно”, говорит Николас Джисин, теоретик в университете Женевы в Швейцарии. Тео Ниувенхуизен, теоретик в Амстердамском университете, говорит, что “Я не вижу ошибки, таким образом, вероятно, это работало бы”.

Проблема состоит в том, чтобы заставить несколько квантовых частиц действовать как так называемая тепловая машина, теория которой была изложена французским инженером Сади Карно в 1824. Карно вообразил поршень заполненным газом, который мог быть сжат или расширен. Поршень мог вступить в контакт с любым из двух больших органов (скажите, крупные стальные блоки) при различных температурах, которые могли служить “горячей ванной” и “холодной ванной”.

Карно провел воображаемый поршень через цикл движений, включая то, в котором расширяется газ, в то время как в контакте с горячей ванной и другим, в котором это сжато в то время как в контакте с холодной ванной. Во время цикла поршень действительно работает при поглощении тепла от горячей ванны и выпуске тепла в холодное, создании его “двигателем тепла”. Полностью измените цикл и, в ответ на работу, сделанную на нем, поршневые действия как холодильник, поглотив тепло от холодной ванны и выпустив его в горячий.

Теперь, Ноа Линден, Санду Попеску и Пол Скрзипчик из Бристольского университета в Соединенном Королевстве сообщают, что по крайней мере в принципе они могут сделать холодильник из нескольких квантовых частиц названным «кубитами». Каждый кубит имеет только два возможных квантовых состояния: стандартное состояние нулевой энергии и возбужденное состояние фиксированной энергии. Теоретики нашли способ перекачать энергию из одного кубита, заставив его взаимодействовать со всего двумя другими.

Теоретики устраивают вещи так, чтобы каждый кубит имел различную энергию возбужденного состояния, но у трио кубитов есть две конфигурации с той же полной энергией. Каждый — конфигурация, в которой только первые и третьи кубиты находятся в своих возбужденных состояниях — обозначил (101). Другой конфигурация, в которой только второй кубит находится в своем возбужденном состоянии — обозначил (010). Если бы все три кубита были при той же температуре, то система щелкнула бы с равной вероятностью назад и вперед между этими двумя конфигурациями.

Но исследователи искажают это щелкание, как они объясняют в газете в прессе в Physical Review Letters. Уловка должна поместить первые два кубита в контакт с холодной ванной и третьей в контакте с горячей ванной. Более высокая температура делает его более вероятно, что третий кубит будет в его возбужденном состоянии — и таким образом что трио будет в эти (101) государство вместо эти (010) государство. Но это означает, что система, более вероятно, щелкнет из (101) и в (010), чем наоборот. Таким образом, в среднем щелкание берет первый кубит от своего возбужденного состояния до его стандартного состояния и вытягивает энергию из первого кубита. После щелчка, кубиты, по существу перезагруженные, взаимодействуя с ваннами, позволяя циклу начаться снова.

Теоретики измеряют размер холодильника с точки зрения числа его квантовых состояний, и эти три кубита имеют в общей сложности восемь возможных государств. То число может быть подрезано к шесть, если они заменяют вторые и третьи кубиты единственным «qutrit», частицу со стандартным состоянием и двумя возбужденными состояниями — несмотря на то, что те два государства должны быть в контакте с различными ваннами. “Мы полагаем, что это — вероятно, самое маленькое число государств, которые Вы можете сойти с рук”, говорит липа.

В теории такой холодильник может добраться произвольно близко к абсолютному нулю, и Попеску говорит, что могло бы быть возможно сделать заманенные в ловушку ионы одного использования для кубитов и потоков лазерного света как ванны. Некоторые исследователи надеются использовать такие кубиты в качестве кишок для квантового компьютера, и Попеску говорит, что схема холодильника могла бы позволить исследователям охлаждать некоторый набор кубитов с немногими другими. Дэвид Винелэнд, экспериментальный физик с американским Национальным институтом стандартов и технологий в Валуне, Колорадо, говорит, что полагает, что такие схемы могут действительно быть осуществлены в заманенных в ловушку ионах.

Другие предполагают, что такие крошечные квантовые холодильники могли бы уже жужжать вперед по своей природе. Возможно, что одна часть биомолекулы могла бы работать для охлаждения другого таким способом, говорит Ханс Бригель, теоретик в университете Инсбрука в Австрии. “Я не ожидаю, что у Вас будет механизм точно как это”, говорит Бригель, “но он дает Вам структуру, ценную для сообщения, что искать”.

Никакое слово все же на том, когда физики могли бы представить самое маленькое пиво.

Добавить комментарий