Демон Максвелла поможет создать квантовый компьютер

Уменьшение энтропии в трёхмерной решётке сверхохлажденных и захваченных лазером атомов может приблизить создание квантовых компьютеров. Команда исследователей из штата Пенн может перегруппировать случайно распределенный массив атомов в аккуратно организованные блоки, выполняя, таким образом, функцию демона Максвелла. Организованные блоки атомов могут стать основой для квантового компьютера, который использует незаряженные атомы в качестве кубитов (аналог битов в обычном компьютере) для кодирования данных и выполнения расчетов.

Демон Максвелла — мысленный эксперимент 1867 года, придуманный физиком Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго закона термодинамики. Во время эксперимента сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части. В перегородке есть отверстие с устройством, которое позволяет пролетать горячим молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а холодным — только из правой части сосуда в левую. Через какое-то время горячие молекулы окажутся в правом сосуде, а холодные останутся в левом. Управляет этим устройством так называемый демон Максвелла, микроскопическое разумное существо.

Исследователи использовали лазеры для улавливания и охлаждения атомов в трёхмерной решётке. Затем они случайным образом заполнили примерно половину позиций в решетке атомами. Регулируя поляризацию лазерных ловушек, учёные могут перемещать атомы индивидуально или группами, реорганизовывая случайно распределённые атомы на решётке. Специалисты отмечают, что, поскольку атомы охлаждены до максимально низкой температуры, энтропия системы почти полностью определяется случайной конфигурацией атомов внутри решётки. В системах, где атомы не охлаждены, их перемещение составляет большую часть энтропии системы. В такой системе упорядочение атомов мало влияет на энтропию, но в проведённом эксперименте удалось доказать, что организация атомов снижают энтропию внутри системы примерно в 2,4 раза.

Фото: Weiss Laboratory, Penn State