Открытие пригодится для более совершенной настройки квантовых компьютеров, ведущему к неминуемому увеличению вычислительных мощностей.
Самая низкая температура на земле или абсолютный ноль по Кельвину — это минус 273,15 градусов Цельсия. Однако, согласно третьему закону термодинамики, невозможно охладить какой-либо объект точно до этой температуры, к абсолютному нулю можно только приблизиться.
Исследовательская группа из Венского технического университета тщательно изучила вопрос, как можно согласовать третий закон термодинамики с правилами квантовой физики. Учёным удалось разработать «квантовую версию» третьего закона термодинамики, согласно которой, теоретически, абсолютный ноль вполне достижим. Но понадобится три элемента: энергия, время и сложность. И только при наличии бесконечного количества любого из этих элементов, возможно будет достичь абсолютного нуля.
Когда квантовые частицы достигают абсолютного нуля, их состояние точно известно: они гарантированно находятся в состоянии наибольшей упорядоченности или наименьшей энтропии. Иными словами, содержат минимально возможное количество энергии. В этом состоянии частицы больше не хранят в себе никакой информации о том, в каком состоянии они находились раньше. Всё, что было с частицей до этого, — полностью стёрто. Таким образом, с точки зрения квантовой физики охлаждение и удаление информации — тесно связанные процессы.
На первый взгляд, теория информации и термодинамика — противоречащие друг другу вещи. Ведь «из теории информации нам известен так называемый принцип Ландауэра, согласно которому, для удаления одного бита информации требуется определенное минимальное количество энергии», — объясняет профессор Маркус Хубер из Венского технического университета. Однако термодинамика говорит, что для охлаждения чего-либо ровно до абсолютного нуля, нужно затратить бесконечное количество энергии.
На лицо противоречие, но объяснить его можно достаточно просто. Термодинамика была сформулирована в 19 веке для классических объектов — паровых двигателей, холодильников или раскаленных кусков угля. В то время люди понятия не имели о квантовой теории. Для понимания термодинамики отдельных частиц сначала нужно проанализировать, как термодинамика и квантовая физика в принципе взаимодействуют — и это именно то, что сделали Маркус Хубер и его команда из Венского технического университета.
«Мы быстро поняли, что совсем необязательно использовать бесконечную энергию для достижения абсолютного нуля. Это вполне возможно с конечным количеством энергии, однако потребуется бесконечно много времени, чтобы сделать это», — объясняет профессор Хубер. Такое решение проблемы всё ещё не выглядит чем-то реалистичным и достижимым.
Однако затем команда наткнулась на дополнительную деталь, имеющую решающее значение. «Мы обнаружили, что можно определить квантовые системы, которые позволяют достичь абсолютного базового состояния частиц даже при конечной энергии и за конечное время. Никто из нас этого не ожидал. Но эти особые квантовые системы обладают другим важным свойством — они бесконечно сложны», — заявил профессор Хубер
Итак, согласно полученным данным, чтобы охладить квантовый объект до абсолютного нуля за конечное время с конечным количеством энергии, потребуется бесконечно точный контроль над бесчисленными деталями квантовой системы. На практике, конечно, это всё так же недостижимо, как бесконечная энергия или бесконечное время.
«Итак, если вы хотите идеально стереть квантовую информацию в квантовом компьютере, и в процессе перевести кубит в идеально чистое базовое состояние, то теоретически вам понадобится бесконечно сложный квантовый компьютер, который может идеально управлять бесконечным числом частиц», — подытожил Хубер. На практике, однако, это совершенство не обязательно, ведь ни одна машина никогда не бывает совершенной. Квантовому компьютеру достаточно просто хорошо выполнять свою работу. Таким образом, полученная командой исследователей информация, в принципе, не является препятствием для разработки квантовых компьютеров.
В практическом применении квантовых технологий температура сегодня играет ключевую роль — чем выше температура, тем легче квантовым состояниям разрушаться и становиться непригодными для любого технического использования. Именно поэтому так важно лучше понимать связь между квантовой теорией и термодинамикой. На данный момент в этой области наблюдается ощутимый прогресс, и постепенно становится возможным увидеть, как эти две важные части физики переплетаются.
Источник: securitylab
