Kvantové měření dokáže chladit. Kredit: Campisi et al. (2019).

Pro fanoušky kvantové fyziky není tajemstvím, že kvantová mechanika má problém s měřením. Není to totiž jako v klasické fyzice, kde prostě vezmete přístroj a naměříte potřebnou veličinu. Samotné měření totiž podle všeho zasahuje do kvantových dějů a kvantoví fyzici se navíc neshodnou v tom, jak by takové ovlivnění mělo fungovat. Navzdory tomu vědci kvantové měření zkoumají a přicházejí na podivuhodné věci.

Michele Campisi. Kredit: M. Campisi.

Michele Campisi z italské Univerzity ve Florencii a jeho kolegové nedávno prokázali, že kvantové měření nemusí být tak invazivní, za jaké bývá obvykle považováno. Nebo přesněji řečeno, že jeho invazivnost může být užitečná. V rámci kvantové termodynamiky se zabývali tím, jak kvantové fenomény ovlivňují termodynamiku zařízení na nanoskopické úrovni. Přišli na to, že povaha kvantového měření může být zužitkována, a to tak, že kvantové měření může svým působením pohánět chladící stroj. Jde o to, že kvantová měření, vzhledem k jejich invazivní povaze, doprovázejí výměny energie. A proto je možné kvantová měření použít k pohonu strojů.

Oblíbený druhý termodynamický zákon říká, že teplo přirozeně proudí z teplejších těles na ty studenější. Dosavadní výzkumy ukázaly, že takový spontánní proud tepla je možné zvrátit dvěma různými způsoby. Buď je možné využít práci, kterou vykonává vnější síla anebo je možné zavést Maxwellova démona, který řídí proudění tepla.

Università degli Studi di Firenze.

Camisi a spol. vlastně vymysleli třetí možnost, s níž možné zvrátit přirozené proudění tepla díky kvantové mechanice. Použili invazivní kvantové měření jako pohon pro chlazení a říkají tomu chlazení kvantovým měřením (QMC, anglicky quantum measurement cooling). Spočítali si to ve standardní kvantové mechanice, následně své výpočty vyladili mixem pokročilých numerických a analytických metod a výsledky analyzovali a zobrazili pomocí šikovné umělé inteligence.

Badatelé vyvinuli 2-qubitový termální stroj, který by bylo možné snadno předělat na chladící zařízení. To by se mohlo uplatnit v řadě různých aplikací, jako třeba při konstrukci čipů pro kvantové počítače, které je nutné udržet v nízké provozní teplotě. Campisi a jeho kolegové teď hledají partnery mezi dalšími experimentálními skupinami, s nimiž by mohli postavit funkční chlazení na kvantová měření. Podle Campisiho je momentálně velká poptávka po úplném pochopení a zvládnutí energetických dějů kvantových systémů a kvantových zařízení, která jsou z těchto systémů odvozená. Široká mezinárodní spolupráce v tomto směru by podle něj mohla urychlit vývoj nových zajímavých technologií.

Video:  Quantum Measurement & Observables


Literatura
Phys.org 11. 3. 2019, Physical Review Letters 122: 070603.