De minuscule koelkast maakt gebruik van het quantummechanische principe dat qubits informatie met elkaar kunnen delen, ook als ze niet direct bij elkaar in de buurt zijn. Twee qubits die elkaar imiteren, kunnen zo een derde qubit koelen. Met het theoretisch model dat de wetenschappers in de komende uitgave van Physical Review Letters presenteren, berekenden ze dat deze mini-koelkasten zelfs tot het absolute nulpunt zouden moeten kunnen koelen.
Quantumverstrengeling
Quantummechanica gaat er vanuit dat bepaalde dingen alleen bekend zijn als dat fenomeen wordt waargenomen. Er is dus geen absolute waarheid, pas als iemand heeft gekeken of een deeltje positief of negatief is, neemt het deeltje een toestand aan. Er zijn uitzonderingen op deze regel. Bijvoorbeeld als een atoom via radioactief verval twee andere deeltjes (ook wel qubits genoemd) uitzendt. Dan is het ene deeltje altijd positief en het ander altijd negatief. Ook als ze al meters van elkaar verwijderd zijn. Maar welk deeltje positief is, is onbepaald totdat iemand dat deeltje waarneemt. En dan ‘weet’ het andere deeltjes op de een of andere mysterieuze wijze dat het van de andere soort moet zijn. Die qubits zijn dan ‘in dezelfde staat van quantumverstrengeling’. Hoe het deeltje dat ‘weet’, daar zijn de wetenschappers het nog niet over eens. Maar de deeltjes weten nog meer over elkaar dan alleen lading, ook spin en nu ook temperatuur worden door beide deeltjes samen bepaald.
Je neemt dus drie qubits, waarvan er twee in dezelfde ‘state’ zijn. Die twee kunnen met elkaar communiceren op afstand. Als je dan één van die twee qubits in een warm waterbad plaatst, warmt die natuurlijk op. Dat ‘merkt’ het andere qubit via hun quantummechanische connectie en gaat ook op zoek naar warmte in de nabije omgeving, om net zo warm te worden als zijn qubit-maatje.
De atoomkoelkast richt je dan vervolgens zo in, dat de enige warmte die de tweede qubit kan stelen, die van een derde qubit is. Met andere woorden: in navolging van qubit één, onttrekt qubit twee warmte aan qubit drie, die daardoor afkoelt.
Helaas duurt het effect maar even: qubit twee zit namelijk in een waterbad op kamertemperatuur. Daar raakt qubit twee zijn warmte weer aan kwijt, waardoor hij weer meer warmte van qubit drie moet stelen, enzovoorts. Qubit drie blijft hierdoor heerlijk koel.
Het grappige aan dit model is dat het de vrij grove principes van de thermodynamica toepast op de uiterst fijne quantummechanica. Volgens de berekeningen van de wetenschappers kun je zo bijna eindeloos koelen, zolang qubit één maar warm blijft. Ze denken zelfs het absolute nulpunt te kunnen bereiken als het principe in praktijk gebracht gaat worden.
Maar de onderzoekers willen zelfs nog verder gaan. Binnen één qubit kunnen drie duidelijk verschillende informatie-standen bestaan. Als je die drie standen gebruikt in plaats van de drie verschillende qubits, zou zelfs een één-atoom koelkast mogelijk moeten zijn. Maar of dat nu handig is? Je kunt dan alleen dat ene deel van dat ene atoom koelen. Waarschijnlijk is het wel voldoende voor een vermelding in het Guinness Book of Records, want de onderzoekers denken dat het theoretisch limiet van de kleinst mogelijke koelkast dan definitief bereikt is.
Ondertussen zoeken de wetenschappers een andere onderzoeksgroep die de drie-qubit koelkast daadwerkelijk voor ze kan bouwen. Uiteindelijk willen ze de mini-koelelementjes gebruiken om quantumcomputers koel te houden. Of onderdelen van enzymen wat te koelen, zodat reacties rustiger verlopen.
Bron:
How small can thermal machines be? The smallest possible refrigerator Noah Linden, Sandu Popescu and Paul Skrzypczyk in Physical Review Letters
Lees ook
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/kwantum/index.atom?m=of", “max”=>"5", “detail”=>"minder"}