bekend als de toestand van volledige rust absolute nulpunt Het is een van de onmogelijke prestaties van het universum. Zo dicht mogelijk zullen de wetten van de natuurkunde ons er altijd van weerhouden de bodem van de thermocline te bereiken.
Een internationaal team van onderzoekers heeft nu een nieuw theoretisch pad gevonden om het legendarische punt van nul Kelvin of -273,15 graden Celsius (-459,67 graden Fahrenheit) te bereiken. Nee, het is niet waarschijnlijk dat het wetten zal overtreden en elk sprankje warmte zal elimineren, maar het raamwerk zou nieuwe manieren kunnen inspireren om materie bij lagere temperaturen te onderzoeken.
als gevolg van De derde wet van de thermodynamica, zal het verwijderen van incrementen thermische energie uit een groep deeltjes om ze af te koelen tot het absolute nulpunt altijd een oneindig aantal stappen vergen. Als zodanig vereiste het een oneindige hoeveelheid energie om te bereiken. best een uitdaging.
Klassieke natuurkunde maakt dit relatief eenvoudig. Wanneer het echter wordt bekeken in de context van de kwantumfysica, begint het probleem er een beetje anders uit te zien.
Kwantumfysica beschrijft deeltjes volgens hun waarschijnlijkheidsspreiding. Als een kenmerk eenmaal is gemeten, heeft het een concrete toestand en zelfs dan worden de andere kenmerken van het deeltje minder zeker. Het deeltje op het theoretische punt van het absolute nulpunt zal geen beweging hebben, wat betekent dat zijn positie zeker zal zijn. Kwantitatieve details over hun vorige locatie worden effectief gewist en de informatie wordt verwijderd.
komt binnen Landauer principewaarin staat dat het verwijderen van een stuk informatie een minimale en beperkte hoeveelheid energie vereist.
Betekent dit dat er een kwantitatieve truc is om toch terug naar nul te gaan?
Er zijn twee oplossingen voor de paradox. Er kan nog steeds een onbeperkte hoeveelheid tijd of energie nodig zijn om deze sprong te maken. Of – volgens het nieuwe onderzoek – zou een oneindige hoeveelheid complexiteit moeten worden geëlimineerd.
Het is deze nieuwe onthulling over de rol van complexiteit die een nieuwe invalshoek biedt voor het zoeken naar een pad naar het absolute nulpunt, ook al is dat zo praktisch onmogelijk als de oplossing waarmee wetenschappers al hebben gewerkt.
“We hebben ontdekt dat kwantumsystemen die het mogelijk maken om absolute grondtoestanden te bereiken, zelfs bij eindige energie en op een eindige tijd kunnen worden gedefinieerd – niemand van ons had het verwacht,” Hij zegt Deeltjesfysicus Markus Huber, van de Technische Universiteit van Wenen in Oostenrijk.
“Maar deze bijzondere kwantumsystemen hebben nog een belangrijke eigenschap: ze zijn oneindig complex.”
Wat we nu hebben is in wezen een “kwantumversie” van de derde wet van de thermodynamica die verder gaat dan wat de klassieke natuurkunde ons leert: een oneindige hoeveelheid energie, tijd, of complexiteit nodig om het absolute nulpunt te bereiken.
De berekeningen en modellering van het team laten ook zien dat het volledig wissen van gegevens en de laagst mogelijke temperatuur nauw met elkaar verbonden zijn en onmogelijk lijken te zijn voor gewone stervelingen.
Het is dus mogelijk dat toenemende complexiteit van systemen een andere manier is om dichter bij het absolute nulpunt te komen, of in ieder geval om sneller vooruitgang te boeken.
“Als je kwantuminformatie in een kwantumcomputer volledig wilt wissen en daarbij een qubit naar een absoluut zuivere grondtoestand wilt verplaatsen, zou je theoretisch een oneindig complexe kwantumcomputer nodig hebben die een oneindig aantal deeltjes perfect kan beheersen”, Hij zegt Hopper.
In de praktijk is geen enkel computersysteem ooit perfect – dus het idee dat een deeltje in een kwantumcomputer niet volledig uit zijn gegevens (of eerdere toestanden) kan worden gewist, zou geen struikelblok moeten zijn bij de ontwikkeling van deze technologieën.
Kwantummechanica en temperatuur zijn nauw met elkaar verbonden – naarmate we het absolute nulpunt naderen, beginnen vreemde kwantumverschijnselen op te treden – en de onderzoekers zeggen dat dit een ander gebied is waarop de bevindingen van deze studie in de toekomst nuttig kunnen zijn.
“Precies daarom is het zo belangrijk om de relatie tussen kwantumtheorie en thermodynamica beter te begrijpen,” Hij zegt Hopper. “Er is momenteel veel interessante vooruitgang op dit gebied. Het wordt langzaamaan mogelijk om te zien hoe deze twee belangrijke delen van de natuurkunde met elkaar verweven zijn.”
Onderzoek gepubliceerd in PRX Quantum.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”