О квантовых демонах и вере в читателя: новости квантовой физики

В швейцарском Университете Санкт-Галлена проанализировали более 2,3 тыс. статей о квантовых технологиях в СМИ и пришли к выводу, что в последнее время акцент в этой теме сместился с науки на геополитическое соперничество и экономические нарративы. Оно и понятно: писать о физике не всем под силу, гораздо проще поднимать вокруг квантов хайп. Но мы свято верим в нашего читателя и его умение постигать суть вещей. А потому вперед — ​к технологиям!

Холодильник для одинокого кубита

Ученые Технологического университета Чалмерса (Швеция) и Мэрилендского университета (США) спроектировали инновационный холодильник, который охлаждает отдельные сверхпроводящие кубиты до рекордной температуры. Важность устройства понятна каждому, кто занимается квантовыми вычислениями: чем ниже температура кубитов, тем меньше вероятность ошибок в вычислениях. До последнего времени охлаждать кубиты удавалось до 40–49 млК, используя специальные системы, так называемые холодильники разбавления. Прибор шведско-американской команды способен охладить отдельный кубит до 22 млК, или до почти минус 273,13 °C (напомню, что абсолютный нуль — ​это минус 273,15 °C). В результате вероятность стабилизации кубита в основном состоянии до вычислений достигает 99,97 %.

Чистый сигнал

Сотрудники Национальной лаборатории Ок-­Ридж Министерства энергетики США совместно со специалистами компании EPB и Университета Теннесси в Чаттануге впервые передали запутанный сигнал по коммерческой оптоволоконной сети. Свою работу они не без основания назвали очень большим шагом на пути к квантовому интернету. Использовались поляризационно запутанные кубиты на парах фотонов и автоматическая поляризационная компенсация сигнала. Непрерывную проверку поляризации вели опорными сигналами, генерируемыми лазерами. Авторы утверждают, что сократили до минимума сбои, вызванные такими факторами, как ветер и колебания температуры, которые могут мешать квантовым сигналам, проходящим по оптоволоконным кабелям. Передача длилась без перерыва более чем 30 часов (!) между узлом в кампусе Университета Теннесси в Чаттануге и двумя узлами квантовой сети EPB, находящимися на расстоянии около 1 км.

Демон в мелочах

Спорную, я бы даже сказал, сенсационную статью в журнале NPJ Quantum Information опубликовала группа исследователей Нагойского университета (Япония) и Словацкой академии наук. Ученые проверили, как поведет себя в квантовых системах неугомонный демон Максвелла, раз от разу бросающий вызов второму закону термодинамики.

Напомню наиболее известную формулировку второго начала термодинамики: в замкнутых системах тепло не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому. Этот же постулат в терминах энтропии звучит как «энтропия замкнутой системы не может уменьшаться». Любые попытки умозрительного демона Максвелла обойти этот закон и сбавить энтропию всегда разбивались о требование замкнутости системы или самопроизвольности процессов: если демон как-то измеряет скорости частиц, открывает и закрывает дверь для частиц с разной скоростью, он затрачивает энергию, а значит, энтропия в системе точно не убудет. С развитием теории информации было установлено, что измерение скоростей частиц, например, может и не приводить к увеличению энтропии при условии, что процесс термодинамически обратим. Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым). Но поскольку память конечна, в определенный момент демон вынужден стирать старые результаты, что в итоге увеличивает энтропию системы в целом.

Чтобы изучить демоническое поведение на квантовом уровне, исследователи построили математическую модель, которая включает три этапа: демон измеряет целевую систему, извлекает из нее работу, связывая ее с тепловой средой, и, наконец, стирает свою память, взаимодействуя с той же средой. А теперь внимание! «Наши результаты, — ​говорит Синтаро Минагава, ведущий исследователь проекта, — ​показали, что при определенных условиях, допускаемых квантовой теорией, даже после учета всех затрат, извлеченная работа может превысить затраченную работу, что, по-видимому, нарушает второй закон термодинамики». Нарушает! Второй! Закон! Термодинамики! Ну как тут не покрыться холодным потом и не схватиться за сердце?!

Правда, соавтор проекта, Хамед Мохаммади из Словацкой академии наук, добавляет: «Наша работа демонстрирует, что, несмотря на эти теоретические уязвимости, можно спроектировать любой квантовый процесс таким образом, чтобы он соответствовал второму закону». Проще говоря, квантовая теория может нарушить второй закон термодинамики, но она не обязана это делать. Тут я выдохнул, вытер со лба холодную испарину. С ужасом жду, что кто-либо возьмется проверить на стойкость первый закон. А может, и правда лучше писать о политике и экономике? Для здоровья полезнее.