Absolutnie najniższa możliwa temperatura to -273,15 stopni Celsjusza. Nigdy nie jest możliwe schłodzenie żadnego obiektu dokładnie do tej temperatury – można jedynie zbliżyć się do zera absolutnego. To jest trzecia zasada termodynamiki.
Zespół badawczy z TU Wien (Wiedeń) zbadał teraz pytanie: Jak można pogodzić to prawo z zasadami fizyki kwantowej? Udało im się opracować „kwantową wersję” trzeciej zasady termodynamiki: teoretycznie zero absolutne jest osiągalne. Ale dla każdego możliwego przepisu potrzebne są trzy składniki: energia, czas i złożoność. I tylko wtedy, gdy masz nieskończoną ilość jednego z tych składników, możesz osiągnąć zero absolutne.
Informacja i termodynamika: pozorna sprzeczność
Gdy cząstki kwantowe osiągają zero absolutne, ich stan jest dokładnie znany: gwarantuje się, że znajdują się w stanie o najniższej energii. Cząstki nie zawierają już wówczas żadnych informacji o tym, w jakim stanie znajdowały się wcześniej. Wszystko, co mogło przydarzyć się cząstce wcześniej, zostaje doskonale wymazane. Z punktu widzenia fizyki kwantowej chłodzenie i usuwanie informacji są więc ze sobą ściśle powiązane.
W tym momencie spotykają się dwie ważne teorie fizyczne: teoria informacji i termodynamika. Ale jedno i drugie wydaje się ze sobą sprzeczne: „Z teorii informacji znamy tak zwaną zasadę Landauera. Mówi ona, że do usunięcia jednego bitu informacji potrzebna jest bardzo określona minimalna ilość energii”, wyjaśnia prof. Marcus Huber z Instytut Atomowy TU Wien. Termodynamika mówi jednak, że potrzebujesz nieskończonej ilości energii, aby schłodzić wszystko dokładnie do zera bezwzględnego. Ale jeśli usuwanie informacji i chłodzenie do zera absolutnego to to samo – jak to do siebie pasuje?
Energia, czas i złożoność
Źródła problemu tkwią w tym, że termodynamika została sformułowana w XIX wieku dla przedmiotów klasycznych – silników parowych, lodówek czy żarzących się kawałków węgla. W tamtym czasie ludzie nie mieli pojęcia o teorii kwantowej. Jeśli chcemy zrozumieć termodynamikę poszczególnych cząstek, musimy najpierw przeanalizować, w jaki sposób termodynamika i fizyka kwantowa oddziałują na siebie – i właśnie to zrobił Marcus Huber i jego zespół.
„Szybko zdaliśmy sobie sprawę, że niekoniecznie trzeba zużywać nieskończoną energię, aby osiągnąć zero absolutne” — mówi Marcus Huber. „Jest to również możliwe przy skończonej energii – ale wtedy potrzebujesz nieskończenie długiego czasu, aby to zrobić”. Do tego momentu rozważania są nadal zgodne z klasyczną termodynamiką, jaką znamy z podręczników. Ale potem zespół natknął się na dodatkowy szczegół o kluczowym znaczeniu:
„Odkryliśmy, że można zdefiniować układy kwantowe, które pozwalają na osiągnięcie absolutnego stanu podstawowego nawet przy skończonej energii iw skończonym czasie – nikt z nas się tego nie spodziewał” – mówi Marcus Huber. „Ale te specjalne układy kwantowe mają jeszcze jedną ważną właściwość: są nieskończenie złożone”. Potrzebowałbyś więc nieskończenie precyzyjnej kontroli nad nieskończenie wieloma szczegółami układu kwantowego – wtedy mógłbyś schłodzić obiekt kwantowy do zera absolutnego w skończonym czasie przy skończonej energii. W praktyce jest to oczywiście tak samo nieosiągalne jak nieskończenie wysoka energia lub nieskończenie długi czas.
Wymazywanie danych w komputerze kwantowym
„Więc jeśli chcesz idealnie wymazać informacje kwantowe z komputera kwantowego, a przy okazji przenieść kubit do idealnie czystego stanu podstawowego, to teoretycznie potrzebujesz nieskończenie złożonego komputera kwantowego, który może doskonale kontrolować nieskończoną liczbę cząstek” mówi Markus Huber. W praktyce jednak doskonałość nie jest konieczna — żadna maszyna nigdy nie jest doskonała. To wystarczy, aby komputer kwantowy dość dobrze wykonywał swoją pracę. Nowe wyniki nie są więc w zasadzie przeszkodą w rozwoju komputerów kwantowych.
W praktycznych zastosowaniach technologii kwantowych temperatura odgrywa dziś kluczową rolę – im wyższa temperatura, tym łatwiej stany kwantowe pękają i stają się bezużyteczne do jakichkolwiek zastosowań technicznych. “Właśnie dlatego tak ważne jest lepsze zrozumienie związku między teorią kwantową a termodynamiką” – mówi Marcus Huber. „W tej chwili obserwujemy wiele interesujących postępów w tej dziedzinie. Powoli staje się możliwe obserwowanie, jak te dwie ważne części fizyki się ze sobą splatają”.