Fizikçiler 'Kuantum'u Ölçmek İçin Bir Termometre Yarattı

Bu hikayenin orijinal versiyonu Quanta Dergisi'nde yayınlanmıştır .

Anlaşılması kolay görünen bir fizik yasası varsa, o da termodinamiğin ikinci yasasıdır: Isı, daha sıcak cisimlerden daha soğuk olanlara kendiliğinden akar. Ama şimdi, Alexssandre de Oliveira Jr., nazikçe ve neredeyse gelişigüzel bir şekilde, bunu hiç anlamadığımı bana gösterdi.

Kopenhag'da bir kafede otururken, Brezilyalı fizikçi, "Bu sıcak fincan kahveyi ve bu soğuk süt sürahisini alın," dedi. "Bunları birbirine temas ettirin ve gerçekten de, tıpkı Alman bilim insanı Rudolf Clausius'un 1850'de resmen ilk kez belirttiği gibi, ısı sıcak nesneden soğuk nesneye doğru akacaktır." Ancak de Oliveira, fizikçilerin bazı durumlarda kuantum mekaniği yasalarının ısı akışını ters yönde, yani soğuktan sıcağa doğru yönlendirebileceğini öğrendiklerini açıkladı.

Kahvesi güven verici bir şekilde soğurken, "Bu, ikinci yasanın başarısız olduğu anlamına gelmiyor," diye ekledi. "Sadece Clausius'un ifadesi, kuantum fiziğinin gerektirdiği daha kapsamlı bir formülasyonun "klasik sınırı"dır."

Fizikçiler yirmi yıldan fazla bir süre önce bu durumun inceliğini anlamaya başladılar ve o zamandan beri ikinci yasanın kuantum mekaniği versiyonunu araştırıyorlar. Şimdi ise, Danimarka Teknik Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan de Oliveira ve meslektaşları, kuantum ölçeğinde mümkün olan "anormal ısı akışının" kullanışlı ve yaratıcı bir kullanım alanı olabileceğini gösterdiler .

Araştırmacılar, bunun "kuantumluğu" tespit etmek için kolay bir yöntem olarak hizmet edebileceğini söylüyorlar; örneğin, bir nesnenin birden fazla olası gözlemlenebilir durumun kuantum "süperpozisyonunda" olduğunu veya bu tür iki nesnenin birbirine bağlı durumlarla dolanık olduğunu algılamak gibi; bu hassas kuantum fenomenlerini bozmadan. Böyle bir teşhis aracı, bir kuantum bilgisayarının hesaplamalar yapmak için gerçekten kuantum kaynaklarını kullandığından emin olmak için kullanılabilir. Hatta modern fiziğin zorlu hedeflerinden biri olan yerçekimi kuvvetinin kuantum yönlerini algılamaya bile yardımcı olabilir. Araştırmacılar, gereken tek şeyin bir kuantum sistemini, hakkında bilgi depolayabilen ikinci bir sisteme ve bir ısı emiciye, yani çok fazla enerji emebilen bir gövdeye bağlamak olduğunu söylüyor. Bu kurulumla, ısı emiciye ısı transferini, klasik olarak izin verilenin ötesine taşıyabilirsiniz. Sadece emicinin ne kadar sıcak olduğunu ölçerek, kuantum sistemindeki süperpozisyon veya dolanıklığın varlığını tespit edebilirsiniz.

Pratik faydaları bir yana, araştırma termodinamik hakkındaki derin bir gerçeğin yeni bir yönünü ortaya koyuyor: Isı ve enerjinin fiziksel sistemlerde nasıl dönüştürülüp taşınabileceği, bilgiyle, yani bu sistemler hakkında bilinen veya bilinebilecek olanla yakından bağlantılıdır. Bu durumda, kuantum sistemi hakkında depolanmış bilgileri feda ederek anormal ısı akışının "bedelini" ödüyoruz.

Maryland Üniversitesi'nden fizikçi Nicole Yunger Halpern , "Termodinamik niceliklerin kuantum fenomenlerini işaret edebileceği fikrini seviyorum," dedi. "Konu temel ve derin."

Termodinamiğin ikinci yasası ile bilgi arasındaki bağlantı ilk olarak 19. yüzyılda İskoç fizikçi James Clerk Maxwell tarafından araştırıldı. Maxwell'in üzüntüsüne göre, Clausius'un ikinci yasası, tüm sıcaklık farkları ortadan kalkana kadar evren boyunca ısı ceplerinin dağılacağını ima ediyor gibiydi. Bu süreçte, evrenin toplam entropisi -kabaca, ne kadar düzensiz ve özelliksiz olduğunun bir ölçüsü- kaçınılmaz olarak artacaktır. Maxwell, bu eğilimin sonunda ısı akışlarını yararlı işler yapmak için kullanma olasılığını tamamen ortadan kaldıracağını ve evrenin, tekdüze bir termal hareket uğultusunun kapladığı steril bir dengeye, bir "ısı ölümü"ne yerleşeceğini fark etti. Bu tahmin herkes için yeterince rahatsız edici olurdu. Dindar bir Hristiyan olan Maxwell içinse bu bir lanetti. Ancak Maxwell, 1867'de arkadaşı Peter Guthrie Tait'e yazdığı bir mektupta , ikinci yasada bir "delik açmanın" bir yolunu bulduğunu iddia etti.

Rudolf Clausius 1850 yılında (Almanca) "Kendi kendine hareket eden bir makinenin, herhangi bir dış etkenden yardım almadan, ısıyı bir cisimden daha yüksek sıcaklıktaki bir başka cisme iletmesi imkansızdır" diye yazmıştı. Bu, termodinamiğin ikinci yasasının ilk ifadesiydi.

Fotoğraf: Bettmann/ Getty Images

Gazdaki tekil moleküllerin hareketlerini görebilen küçük bir varlık (daha sonra iblis olarak adlandırıldı) hayal etti. Gaz, bir kapaklı duvarla ikiye bölünmüş bir kutuyu dolduracaktı. Kapağı seçici olarak açıp kapatarak iblis, daha hızlı hareket eden molekülleri bir bölmeye, daha yavaş hareket edenleri ise diğerine hapsederek sırasıyla sıcak ve soğuk bir gaz oluşturabiliyordu. Moleküllerin hareketleri hakkında topladığı bilgiler doğrultusunda hareket eden iblis, gazın entropisini azaltarak, pistonu itmek gibi mekanik işler için kullanılabilecek bir sıcaklık gradyanı yaratıyordu.

Bilim insanları, Maxwell cininin ikinci yasayı gerçekten ihlal edemeyeceğinden emindi, ancak nedenini anlamaları neredeyse 100 yıl sürdü. Cevap, cin'in moleküler hareketler hakkında toplayıp depoladığı bilginin sonunda sonlu hafızasını dolduracağıdır. Çalışmaya devam edebilmesi için hafızasının silinip sıfırlanması gerekir. Fizikçi Rolf Landauer, 1961'de bu silme işleminin enerji yaktığını ve entropi ürettiğini gösterdi ; yani cin'in sıralama eylemleriyle azaltılandan daha fazla entropi. Landauer'in analizi, bilgi ve entropi arasında bir eşdeğerlik kurarak, bilginin kendisinin termodinamik bir kaynak olarak hareket edebileceğini ima etti: İşe dönüştürülebilir. Fizikçiler, bu bilgi-enerji dönüşümünü 2010 yılında deneysel olarak kanıtladılar .

Termodinamiğin ikinci yasasından rahatsız olan İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, bugün bile hala fikir veren, her şeyi bilen bir iblis hakkında bir düşünce deneyi icat etti.

İllüstrasyon: Baskı Koleksiyoncusu/Miras Görüntüleri

Ancak kuantum fenomenleri, bilginin klasik fiziğin izin vermediği şekillerde işlenmesine olanak tanır; kuantum hesaplama ve kuantum kriptografisi gibi teknolojilerin tüm temeli budur. İşte bu yüzden kuantum teorisi, geleneksel ikinci yasayla çelişir.

Dolaşık kuantum nesneleri karşılıklı bilgiye sahiptir: İlişkilidirler, bu yüzden birinin özelliklerini diğerine bakarak keşfedebiliriz. Bu kendi başına o kadar da garip değil; bir çift eldivenden birine bakıp solak olduğunu görürseniz, diğerinin de sağlak olduğunu bilirsiniz. Ancak bir çift dolanık kuantum parçacığı eldivenlerden belirli bir şekilde farklıdır: Eldivenlerin hangi elli olduğu bakmadan önce zaten sabitken, kuantum mekaniğine göre parçacıklar için durum böyle değildir. Onları ölçmeden önce, dolanık çiftteki her parçacığın gözlemlenebilir özelliğin hangi değerine sahip olduğuna karar verilmemiştir. Bu aşamada bilebileceğimiz tek şey, %50 sol-sağ ve %50 sağ-sol gibi olası değer kombinasyonlarının olasılıklarıdır. Ancak parçacıklardan birinin durumunu ölçtüğümüzde bu olasılıklar kendilerini kesin bir sonuca dönüştürür. Bu ölçüm sürecinde dolanıklık yok olur.

Gaz molekülleri bu şekilde dolanıksa, bir Maxwell cin'i onları, tüm moleküller bağımsız hareket ediyor olsaydı olduğundan daha verimli bir şekilde yönlendirebilir. Diyelim ki, cin, gördüğü herhangi bir hızlı hareket eden molekülün, hemen ardından başka bir hızlı molekül tarafından takip edilecek şekilde ilişkili olduğunu biliyorsa, cin, ikinci parçacığı kabul etmek için tuzak kapısını açmadan önce onu gözlemlemekle uğraşmak zorunda kalmaz. İkinci yasayı (geçici olarak) bozmanın termodinamik maliyeti düşer.

2004 yılında, Viyana Üniversitesi'nden kuantum teorisyenleri Časlav Brukner ve o dönemde Imperial College London'da görev yapan Vlatko Vedral , bunun makroskobik termodinamik ölçümlerin parçacıklar arasındaki kuantum dolanıklığının varlığını ortaya çıkarmak için bir "tanık" olarak kullanılabileceği anlamına geldiğini belirttiler . Belirli koşullar altında, bir sistemin ısı kapasitesinin veya uygulanan bir manyetik alana tepkisinin, eğer varsa, bir dolanıklık izi taşıması gerektiğini gösterdiler.

Benzer şekilde, diğer fizikçiler, kuantum dolanıklığı olan bir sistemde, sistemin salt klasik olduğu duruma göre sıcak bir cisimden daha fazla iş çıkarılabileceğini hesapladılar .

2008 yılında, California Eyalet Üniversitesi'nden fizikçi Hossein Partovi , kuantum dolanıklığının klasik termodinamikten türetilen önyargıları nasıl çürütebileceğine dair özellikle çarpıcı bir sonuç tespit etti . Dolanıklığın varlığının, sıcak bir nesneden soğuk bir nesneye kendiliğinden akan ısıyı tersine çevirebileceğini ve ikinci yasayı altüst edebileceğini fark etti.

Yunger Halpern, bu tersine çevirmenin özel bir tür soğutma olduğunu söyledi. Ve soğutmada her zaman olduğu gibi, bedavaya gelmiyor (ve bu nedenle ikinci yasayı gerçekten de bozmuyor). Klasik olarak, bir nesneyi soğutmak iş gerektirir: Yakıt tüketerek ısıyı "yanlış" yöne pompalamamız gerekir, böylece soğuk nesneyi daha soğuk, sıcak nesneyi daha sıcak yaparak kaybedilen entropiyi telafi ederiz. Ancak kuantum durumunda, Yunger Halpern, soğutmayı sağlamak için yakıt yakmak yerine "korelasyonları yaktığınızı" söyledi. Başka bir deyişle, anormal ısı akışı ilerledikçe, dolanıklık yok olur: Başlangıçta korelasyonlu özelliklere sahip parçacıklar bağımsız hale gelir. Yunger Halpern, "Korelasyonları, ısıyı ters yönde itmek için bir kaynak olarak kullanabiliriz" dedi.

Parçacıklar arasındaki kuantum dolanıklığının varlığını ortaya koymak için termodinamik ölçümlerin bir “tanık” olarak kullanılması fikrinin öncülerinden biri de Vlatko Vedral'dır.

Fotoğraf: Vlatko Vedral'ın izniyle

Aslında buradaki yakıt bilginin kendisidir: daha doğrusu, birbirine dolanmış sıcak ve soğuk cisimlerin karşılıklı bilgisi.

İki yıl sonra, Imperial College London'dan David Jennings ve Terry Rudolph olup biteni netleştirdiler . Termodinamiğin ikinci yasasının, karşılıklı bilginin mevcut olduğu durumları da kapsayacak şekilde nasıl yeniden formüle edilebileceğini gösterdiler ve kuantum korelasyonlarının tüketimiyle klasik ısı akışının ne kadar değiştirilebileceğini ve hatta tersine çevrilebileceğinin sınırlarını hesapladılar.

Kuantum etkileri söz konusu olduğunda, ikinci yasa o kadar basit değil. Peki kuantum fiziğinin termodinamik yasalarının sınırlarını gevşetme biçimiyle faydalı bir şey yapabilir miyiz? Bu, kuantum termodinamiği adı verilen disiplinin hedeflerinden biri. Bu disiplinde bazı araştırmacılar, klasik olanlardan daha verimli çalışan kuantum motorları veya daha hızlı şarj olan kuantum pilleri geliştirmeye çalışıyor.

Polonya Bilimler Akademisi Teorik Fizik Merkezi'nden Patryk Lipka-Bartosik, diğer yönde pratik uygulamalar aradı: termodinamiği kuantum fiziğini araştırmak için bir araç olarak kullanmak. Geçen yıl, o ve çalışma arkadaşları, Brukner ve Vedral'in 2004 tarihli termodinamik özellikleri kuantum dolanıklığının tanığı olarak kullanma fikrini nasıl hayata geçireceklerini gördüler . Planları, birbirleriyle ilişkili sıcak ve soğuk kuantum sistemleri ve ikisi arasındaki ısı akışını yönlendiren üçüncü bir sistem içeriyor. Bu üçüncü sistemi bir Maxwell cinine benzetebiliriz, ancak artık manipüle ettiği sistemlerle dolanık hale gelebilen bir "kuantum hafızası" var. Cinin hafızasıyla dolanık olmak, sıcak ve soğuk sistemleri etkili bir şekilde birbirine bağlıyor ve böylece cin, birinin özelliklerinden diğerinin hakkında çıkarımlarda bulunabiliyor.

Patryk Lipka-Bartosik, kuantum etkilerini tespit etmek için termodinamik ölçümlerin nasıl kullanılacağını araştırdı.

Fotoğraf: Alicja Lipka-Bartosik

Böyle bir kuantum iblisi, bir tür katalizör görevi görerek, normalde erişilemeyen korelasyonlara erişerek ısı transferinin gerçekleşmesine yardımcı olabilir. Yani, sıcak ve soğuk nesnelerle iç içe olduğu için, iblis tüm korelasyonlarını sistematik olarak tahmin edip kullanabilir. Ve yine bir katalizör gibi, bu üçüncü sistem, nesneler arasındaki ısı alışverişi tamamlandığında orijinal durumuna geri döner. Bu şekilde, süreç, anormal ısı akışını, böyle bir katalizör olmadan elde edilebilecek olanın ötesine taşıyabilir.

Danimarka Teknik Üniversitesi'nden Lipka-Bartosik ve Jonatan Bohr Brask'ın ortak yazarlığını yaptığı de Oliveira'nın bu yılki makalesi, aynı fikirlerin bazılarını kullanıyor, ancak kurulumu kuantumsallığı ölçmek için bir tür termometreye dönüştüren önemli bir farkla. Daha önceki çalışmada, şeytan benzeri kuantum belleği, biri sıcak diğeri soğuk olmak üzere birbiriyle ilişkili bir kuantum sistemi çiftiyle etkileşime girmişti. Ancak son çalışmada, bir kuantum sistemi (örneğin, bir kuantum bilgisayarındaki dolanık kuantum bitleri veya kübitler dizisi) ile kuantum sisteminin doğrudan dolanık olmadığı basit bir soğutucu arasında yer alıyor.

Bellek hem kuantum sistemi hem de alıcı ile dolanık olduğundan, aralarında klasik olarak mümkün olanın ötesinde bir ısı akışını tekrar katalize edebilir. Bu süreçte, kuantum sistemi içindeki dolanıklık, alıcıya giren ekstra ısıya dönüşür. Dolayısıyla, ısı alıcıda depolanan enerjiyi ölçmek ( "sıcaklığını" okumaya benzer şekilde), kuantum sisteminde dolanıklığın varlığını ortaya çıkarır. Ancak sistem ve alıcı kendileri dolanık olmadığından, ölçüm kuantum sisteminin durumunu etkilemez. Bu kumar, ölçümlerin kuantumluluğu yok ettiği meşhur yöntemin önüne geçer. De Oliveira, "[Kuantum] sisteminde doğrudan bir ölçüm yapmaya çalışsaydınız, süreç daha başlamadan dolanıklığını yok ederdiniz," dedi.

Fizikçiler Alexssandre de Oliveira Jr. (solda) ve Jonatan Bohr Brask (sağda), kuantumsallığı yok etmeden tespit etmek için Patryk Lipka-Bartosik ile birlikte yeni bir plan üzerinde çalıştılar.

Fotoğraf: Jonas Schou Neergaard-Nielsen

Yeni şemanın basit ve genel olma avantajına sahip olduğunu söyleyen Oxford Üniversitesi'nden Vedral, "Bu doğrulama protokolleri çok önemli," dedi. "Bir kuantum bilgisayar şirketi en son cihazlarının performansı hakkında yeni bir duyuru yaptığında, her zaman kübitler arasındaki dolanıklığın hesaplamaya yardımcı olup olmadığını (veya bilip bilmediklerini) nasıl bildikleri sorusunun ortaya çıktığını söyledi. Bir ısı emici, yalnızca enerji değişimi yoluyla bu tür kuantum fenomenlerinin dedektörü olarak hizmet edebilir. Bu fikri uygulamak için, bir kuantum bitini, durumu diğer kübitlerin durumunu ortaya çıkaran bellek olarak belirleyebilir ve ardından bu bellek kübitini, enerjisini ölçebileceğiniz emici görevi görecek bir parçacık kümesiyle birleştirebilirsiniz. (Vedral, bir koşulun, ölçümleri kirleten başka ısı akışı kaynakları olmadığından emin olmak için sisteminiz üzerinde çok iyi bir kontrole sahip olmanız gerektiğini ekledi. Bir diğeri ise yöntemin tüm dolanık durumları tespit edemeyeceğidir.)

De Oliveira, fikirlerini deneysel olarak test etmek için halihazırda bir sistemin mevcut olduğunu düşünüyor. Kendisi ve meslektaşları, bu hedefi Brezilya, São Paulo'daki ABC Federal Üniversitesi'nde Roberto Serra'nın araştırma grubuyla görüşüyor. Serra ve meslektaşları, 2016 yılında kloroform moleküllerindeki karbon ve hidrojen atomlarının manyetik yönelimlerini veya spinlerini, aralarında ısı transferi yapabilecekleri kuantum bitleri olarak kullandılar .

De Oliveira, bu düzeneği kullanarak kuantum davranışından (bu durumda tutarlılık, yani iki veya daha fazla spinin özelliklerinin birbiriyle aynı fazda evrimleşmesi) yararlanarak atomlar arasındaki ısı akışını değiştirmenin mümkün olabileceğini söylüyor. Kübitlerin tutarlılığı kuantum hesaplama için olmazsa olmazdır, bu nedenle anormal ısı değişimini tespit ederek bunu doğrulayabilmek faydalı olabilir.

Riskler daha da yüksek olabilir. Birkaç araştırma grubu, kütleçekiminin diğer üç temel kuvvet gibi bir kuantum kuvveti olup olmadığını belirlemek için deneyler tasarlamaya çalışıyor. Bu çabaların bazıları, yalnızca karşılıklı kütleçekimsel çekimlerinden kaynaklanan iki nesne arasındaki kuantum dolanıklığını araştırmayı içeriyor. Belki de araştırmacılar, bu tür kütleçekim kaynaklı dolanıklıkları, üzerlerinde basit termodinamik ölçümler yaparak inceleyebilir ve böylece kütleçekiminin gerçekten kuantumlu olup olmadığını doğrulayabilirler (veya doğrulamayabilirler).

Fizikteki en derin sorulardan birini incelemek için Vedral, "Bunun kadar kolay ve makroskobik bir şey yapabilseydik harika olmaz mıydı?" dedi.

Orijinal hikaye , Simons Vakfı'nın editöryal olarak bağımsız bir yayını olan Quanta Magazine'den izin alınarak yeniden basılmıştır. Vakfın misyonu, matematik, fizik ve yaşam bilimlerindeki araştırma gelişmelerini ve trendlerini ele alarak kamuoyunun bilim anlayışını geliştirmektir.