Maksymalna prędkość chłodzenia wyznaczona. Przyda się w komputerach kwantowych

W 1906 roku Walther Nerns sformułował trzecią zasadę termodynamiki, zgodnie z którą żaden system nie może osiągnąć temperatury zera absolutnego (-273,15 stopnia Celsjusza) w ograniczonej liczbie kroków. Zatem schłodzenie czegokolwiek do tej temperatury jest niemożliwe.

Praca Nernsta od początku wywoływała kontrowersje. Albert Einstein i Mac Plack kwestionowali stworzoną przezeń zasadę. Jednak została ona uznana za prawdziwą i w 1920 roku Nernst otrzymał Nagrodę Nobla z chemii. Dopiero jednak teraz, po ponad 100 latach, udało się matematycznie udowodnić, że Nernst miał rację i wyznaczyć maksymalną prędkość schładzania danego systemu.

Dowód jest dziełem Jonathana Oppenheima i Lluisa Masanesa z University College London. Na polu informatyki ludzie często pytają: jak długo zajmie wykonanie danych obliczeń. Tak, jak komputer wykonuje obliczenia, tak system chłodzący chłodzi, mówi Oppenheim. Wychodząc od takich założeń obaj uczeni postanowili zbadań tempo chłodzenia.

Chłodzenie można pojmować jako szereg identycznych kroków – ciepło jest usuwane z systemu i uwalniane do otoczenia. Chłodzony system staje się chłodniejszy, a proces się powtarza. O tym, jak bardzo można schłodzić dany system decyduje ilość pracy potrzebnej, by usunąć z niego ciepło oraz pojemność zbiornika, do którego uwalniamy ciepło z systemu. Oppenheim i Masanes zastosowali metody matematyczne używane w kwantowej teorii informacji i udowodnili, że żadnego systemu nie można schłodzić do zera absolutnego, gdyż wymagałoby to nieskończonej liczby kroków. Możliwe jest jednak zbliżenie się do temperatury zera absolutnego, a Masanes i Oppenheim opracowali formuły, pozwalające wyliczyć, jak szybko można w skończonym czasie schłodzić dany system.

Na razie praca obu uczonych ma znaczenie czysto teoretyczne. Dotychczas nikt nie potrafi schłodzić systemu do tak niskich temperatur, ani osiągnąć maksymalnej prędkości chłodzenia wyznaczonej przez Oppenheima i Massanes. Sami jednak uczeni wierzą, że wkrótce ich teoretyczne rozważania znajdą praktyczne zastosowania. Mogą się bowiem przydać w budowie kwantowych komputerów, gdzie konieczne jest utrzymanie cząstek na ściśle wyznaczonym poziomie energetycznym. Dodatkowa energia czy ciepło mogą zniszczyć stany, a zatem i dane przechowywane w komputerze kwantowym. Tu już nie chodzi o usuwanie energii z systemu. Tutaj idzie o usunięcie nieoznaczoności – mówi Masanes.

To ważna praca, gdyż trzecia zasada termodynamiki to jedna z podstawowych zasad współczesnej fizyki. Odnosi się ona do termodynamiki, mechaniki kwantowej, teorii informacji – jest punktem styku wielu rzeczy – stwierdza Ronnie Kosloff, z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie.

Ze szczegółami pracy Massanesa i Oppenheima można zapoznać się w artykule „A general derivation and quantification of the third law of thermodynamics”

komputer kwantowy trzecia zasada termodynamiki tempo chłodzenia