رفتار موتور گرمایی کوانتومی در یک کیوبیت مشاهد شد

رفتار موتور گرمایی کوانتومی در یک کیوبیت مشاهد شد

اگرچه بسیاری از نظریه‌های پذیرفته شده‌ی امروزی درباره‌ی ترمودینامیک کلاسیک، حتی به قبل از انقلاب صنعتی بازمی‌گردند و به پیش‌برد آن کمک کردند، اما همچنان سوالات بی‌پاسخ زیادی درباره‌ی ترجمه‌ی این نظریات در سطح تک‌سیستم‌های کوانتومی باقی مانده است.

به ویژه اینکه قابلیت بر‌هم‌نهی حالت‌ها هنوز هم اثرات نا‌شناخته‌ای در رفتار ترمودینامیکی دارد. اکنون، همکاری میان محققان ژاپن، اوکراین و امریکا منجر به تولید یک دستگاه کوانتومی شده که نه تنها می‌تواند همچون یک موتور گرمایی و یک یخچال، بلکه به طور همزمان به صورت یک بر‌هم ‌نهی از هر‌ دو رفتار کند.

این محققان همگی بر روی جنبه‌های مختلف کیوبیت‌ها کار کرده بودند. آن‌ها پیش از آنکه توجه خود را به چگونگی شباهت رفتاری این سیستم‌ها با موتورهای گرمایی کلاسیک معطوف کنند، به منظور تداخل‌سنجی کوانتومی و به منظور آزمودن رفتار کیوبیت‌ها بر اساس ناخالصی‌های موجود در سیلیکون گرد هم آمده بودند.

چالش‌های آزمایشگاهی
کاوش ترمودینامیک در سطح کوانتومی، امکانات جالب توجهی را فراهم می‌سازد. محققان می‌گویند: «یکی از موضوعات مورد بحث در این حوزه، قابلیت غلبه‌ی موتورهای گرمایی کوانتومی بر بازدهی نمونه‌های کلاسیکی است». اما این موضوع چالش‌هایی به همراه دارد به این معنی که تاکنون اکثر مطالعات انجام‌شده، صرفا به صورت نظری بوده‌اند. به گفته‌ی محققان، داشتن کیوبیت‌های «داغ، چگال و همبسته»، از جمله‌ مشخصات مهم برای مهندسی کوانتومی است. در اینجا «داغ» به معنی کارکرد در نظام دما‌های چند‌کلوینی است که اگرچه همچنان تا‌حدی کاملا سرد است، اما به لحاظ فناوری و نسبت به سیستم‌هایی که نیاز دارند که تا دما‌های چند میلی‌کلوین سرد شوند، کمتر چالش‌برانگیز است. اگر‌چه بهای استفاده از این سیستم‌های داغ، توصیف و کنترل سخت‌تر آن‌هاست، اما در اینجا محققان توانستند تجربه‌ی گرانبهای خود را درباره‌ی کیوبیت‌های بر پایه‌ی سیلیکون بکار گیرند.

این محققان اساس مطالعات ترمودینامیک کوانتومی خود را بر روی یک ترانزیستور اثر میدان تونل زنی، ساخته شده از ناخالصی‌های انبوه بکار رفته در سیلیکون قرار دادند. انتقال در طول دستگاه آن‌ها از طریق تونل‌زنی بین یک ناخالصی نزدیک به سطح (کم‌عمق) و یک ناخالصی دیگر در همان حوالی اما در عمق پایین‌تر ماده، که دستگاهی با دو تراز انرژی را ایجاد می‌کند، انجام می‌شود. رفتار این دستگاه در انتقال الکترون منجر به مشخصه‌های اسپینی جالبی می‌شود، به ویژه یک تشدید اسپینی الکترون که در آن جریان تخلیه‌منبع به ازای میدان‌های مغناطیسی AC و DC خاص اعمال‌شده، به بیشینه‌ی خود می‌رسد. آن‌ها توانستند از این بیشینه‌ی تشدیدی، دو مقیاس زمانی که نشان‌دهنده‌ی طول عمر حالت بر‌انگیخته‌ روی ناخالصی و زمان وا‌همدوسی آن هستند را بدست آورند. زمان وا‌همدوسی، مدت زمانی که در آن یک رابطه‌ی فازی معین بین تابع موج آن و دیگران حفظ شود به طوری‌که امکان بر‌هم‌نهی و تداخل، برقرار شود را تعریف می‌کند.

محققان همچنین با استفاده از امکان هدایت این دستگاه با ولتاژ گیت توانستند شکاف بین تراز‌های انرژی را با دستکاری فرکانس و دامنه‌ی میدان‌های مغناطیسی تنظیم کنند. در نتیجه، چنانچه این دستگاه هنگام بزرگ بودن شکاف، به حالت بر‌انگیخته هدایت شود و هنگام کوچک بودن آن به حالت پایه باز گردد یا بر‌عکس، می‌تواند شبیه به یک یخچال یا موتورگرمایی اتو (Otto) عمل کند. هنگامی‌که دوره‌ی واهلش و دوره‌ی ولتاژ محرک، شروع به منطبق‌شدن می‌کنند، اثرات کوانتومی جالبی رخ می‌دهد. محققان نشان می‌دهند که در این نقطه، عملکرد دستگاه می‌تواند در یک بر‌هم‌نهی از هردو حالت موتور و یخچال قرار داشته باشد. محاسبات نظری احتمال بر‌انگیختگی، کاملا با جریان‌های بیشینه‌ی اندازه گیری‌شده همخوانی داشتند.

محدودیت‌ها و پیشرفت‌های آینده
تمایزاتی بین این دستگاه کوانتومی و یک موتور گرمایی یا یخچال کلاسیکی وجود دارد. به ویژه اینکه محیط گرمایی وجود ندارد، اگرچه که این دستگاه به هادی‌های ولتاژ بالاتر و پایین‌تر که به عنوان همتای الکتریکی محیط‌های گرمایی عمل می‌کنند، متصل است. با این وجود محققان می‌گویند: «این امکان جدید برای داشتن یک بر‌هم‌نهی کوانتومی از یک موتور گرمایی و یک یخچال خیلی کوچک، شگفت‌آور است».

در‌حالی‌که محققان اذعان می‌دارند که چنین دستگاهی در مورد ماکروسکوپی یا کلاسیک، نیاز‌های زیادی را برآورده نمی‌سازد، اما آن‌ها امیدوارند که این دستگاه، کارکرد‌های جدیدی را برای اشیای کوانتومی به ارمغان بیاورد که نه فقط جالب، بلکه مفید نیز باشند. به عنوان مثالی دیگر، محققان به لیزر اشاره می‌کنند که خیلی قبل‌تر از آنکه کاربرد‌های فراگیر کنونی‌اش آشکار شود، ابداع شد. آن‌ها می‌گویند: «ما معتقدیم که نتایج ما به لحاظ علمی جالب هستند. در حال حاضر، ما در حال بررسی فیزیک زیربنایی آن هستیم و اعتقاد داریم که کاربرد‌های ممکن آن، فعلا واضح نیستند. این امر اغلب در علم رخ می‌دهد».
 
منبع: phys.org
كلمات كليدي :
موتور گرمایی کوانتومی
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر
login