Стан ідеальної нерухомості, відомий як абсолютний нуль, є одним із неможливих досягнень Всесвіту. Наскільки ми можемо наблизитися, закони фізики завжди не дадуть нам досягти теплового дна.
Міжнародна група дослідників тепер визначила новий теоретичний шлях досягнення міфічної позначки нуль Кельвіна, або -273,15 градусів за Цельсієм (-459,67 градусів за Фаренгейтом). Ні, швидше за все, це не порушить жодних законів і не прибере до останнього мерехтіння тепла, але структура може надихнути на нові способи дослідження матерії при низьких температурах.
Як наслідок третього закону термодинаміки, відведення приростів теплової енергії від групи частинок для їх охолодження до абсолютного нуля завжди займатиме нескінченну кількість кроків. Таким чином, для досягнення цього потрібна нескінченна кількість енергії. Цілком складний виклик.
Класична фізика робить це відносно очевидним. Однак у контексті квантової фізики проблема починає виглядати трохи інакше.
Квантова фізика описує частинки відповідно до розкиду можливостей. Лише після вимірювання ознака набуває конкретного стану, і навіть тоді інші якості частинки стають дещо менш певними. Частинка в теоретичній точці абсолютного нуля не рухалася б, тобто її положення було б певним. Квантові деталі щодо його попередньої позиції будуть фактично стерті, видаляючи інформацію.
Введіть принцип Ландауера, який стверджує, що видалення частини інформації вимагає мінімальної та кінцевої кількості енергії.
Чи означає це, що все-таки існує квантовий трюк для падіння до нуля?
Є два рішення парадоксу. Щоб зробити цей стрибок, може знадобитися нескінченна кількість часу чи енергії. Або – згідно з новим дослідженням – це вимагатиме видалення нескінченної кількості складності.
Саме це нове розкриття ролі складності відкриває новий кут для пошуку шляху до абсолютного нуля, навіть якщо це таке ж практично неможливе рішення, як ті, над якими вже працювали вчені.
«Ми виявили, що можна визначити квантові системи, які дозволяють досягти абсолютного основного стану навіть за кінцевої енергії та за кінцевий час – ніхто з нас цього не очікував», – каже фізик елементарних частинок Маркус Хубер з Віденського технологічного університету в Австрії.
«Але ці спеціальні квантові системи мають ще одну важливу властивість: вони нескінченно складні».
Те, що ми зараз маємо, по суті, є «квантовою версією» третього закону термодинаміки, яка виходить за рамки того, чого вчить нас класична фізика: щоб досягти абсолютного нуля, потрібна нескінченна кількість енергії, часу або складності.
Розрахунки та моделювання, проведені командою, також показують, що ідеальне стирання даних і найнижча можлива температура тісно пов’язані між собою, і ми, звичайні смертні, очевидно, неможливо досягти обох.
Тоді можливо, що підвищення складності систем є ще одним способом наблизитися до абсолютного нуля або принаймні рухатися швидше.
«Якщо ви хочете ідеально стерти квантову інформацію в квантовому комп’ютері та в процесі перевести кубіт в ідеально чистий основний стан, то теоретично вам знадобиться нескінченно складний квантовий комп’ютер, який може ідеально контролювати нескінченну кількість частинок», — каже Губер.
З практичної точки зору жодна комп’ютерна система ніколи не буває ідеальною, тому ідея про те, що з частинки в квантовому комп’ютері ніколи не можна повністю стерти дані (або попередні стани), не повинна стати каменем спотикання у розвитку цих технологій.
Квантова механіка та температура тісно пов’язані – коли ми наближаємось до абсолютного нуля, починають відбуватися дивні квантові явища – і дослідники кажуть, що це ще одна сфера, де результати цього дослідження можуть бути корисними в майбутньому.
«Саме тому так важливо краще зрозуміти зв’язок між квантовою теорією та термодинамікою», — каже Хубер. «На даний момент у цій галузі є багато цікавих досягнень. Поступово стає можливим побачити, як ці дві важливі частини фізики переплітаються».
Дослідження опубліковано в PRX Quantum.
