Stanje savršene mirnoće poznato kao apsolutna nula jedno je od nemogućih dostignuća Univerzuma. Koliko god možemo da se približimo, zakoni fizike će nas uvek sprečiti da udarimo na termalno dno.
Međunarodni tim istraživača je sada identifikovao novu teorijsku rutu za dostizanje mitske oznake od nula Kelvina, ili -273,15 stepeni Celzijusa (-459,67 stepeni Farenhajta). Ne, nije veća verovatnoća da će prekršiti bilo koji zakon i ukloniti svaki poslednji treptaj toplote, ali okvir bi mogao da inspiriše nove načine istraživanja materije na niskim temperaturama.
Kao posledica trećeg zakona termodinamike, uklanjanje prirasta toplotne energije iz grupe čestica da bi se one ohladile na apsolutnu nulu uvek će trajati beskonačan broj koraka. Kao takav, za postizanje je potrebna beskonačna količina energije. Pravi izazov.
Klasična fizika ovo čini relativno očiglednim. Međutim, posmatrano u kontekstu kvantne fizike, problem počinje da izgleda malo drugačije.
Kvantna fizika opisuje čestice prema širenju mogućnosti. Tek kada se neka osobina izmeri ona ima konkretno stanje, a čak i tada drugi kvaliteti čestice postaju malo manje sigurni. Čestica u teorijskoj tački apsolutne nule ne bi imala kretanje, što znači da bi njen položaj bio siguran. Kvantni detalji u vezi sa njegovom prethodnom pozicijom bi efektivno bili izbrisani, brisanjem informacija.
Unesite Landauerov princip, koji kaže da je za brisanje informacije potrebna minimalna i konačna količina energije.
Da li to znači da ipak postoji kvantni trik za spuštanje na nulu?
Postoje dva rešenja paradoksa. Još uvek je potrebno beskonačno vreme ili energija da se napravi taj skok. Ili – prema novom istraživanju – to bi zahtevalo brisanje beskonačne količine složenosti.
Upravo ovo novo otkriće uloge složenosti predstavlja novi ugao traženja puta do apsolutne nule, čak i ako je to praktično nemoguće kao rešenje kao ono sa kojim su naučnici već radili.
„Otkrili smo da se kvantni sistemi mogu definisati koji omogućavaju dostizanje apsolutnog osnovnog stanja čak i pri konačnoj energiji iu konačnom vremenu – niko od nas to nije očekivao“, kaže fizičar čestica Markus Huber sa Tehnološkog univerziteta u Beču u Austriji.
„Ali ovi specijalni kvantni sistemi imaju još jedno važno svojstvo: oni su beskonačno složeni.“
Ono što sada imamo je u suštini ‘kvantna verzija’ trećeg zakona termodinamike koja prevazilazi ono što nas uči klasična fizika: potrebna je beskonačna količina energije, vremena ili složenosti da bi se došlo do apsolutne nule.
Proračuni i modeliranje koje je sproveo tim takođe pokazuju da su savršeno brisanje podataka i najniža moguća temperatura usko povezani, a oboje je očigledno nemoguće postići mi obični smrtnici.
Moguće je onda da je povećanje složenosti sistema još jedan način da se približite apsolutnoj nuli, ili da bar napredujete brže.
„Ako želite savršeno da izbrišete kvantne informacije u kvantnom računaru i da u tom procesu prenesete kubit u savršeno čisto osnovno stanje, onda bi vam teoretski bio potreban beskonačno složen kvantni računar koji može savršeno kontrolisati beskonačan broj čestica“, kaže Huber.
U praktičnom smislu, nijedan računarski sistem nikada nije savršen – tako da ideja da čestica u kvantnom računaru nikada ne bi mogla biti potpuno izbrisana sa svojih podataka (ili prethodnih stanja) ne bi trebalo da bude kamen spoticanja u razvoju ovih tehnologija.
Kvantna mehanika i temperatura su usko povezane – kada se približimo apsolutnoj nuli, počinju da se dešavaju čudni kvantni fenomeni – a istraživači kažu da je ovo još jedna oblast u kojoj nalazi ove studije mogu biti korisni u budućnosti.
„Upravo zbog toga je toliko važno bolje razumeti vezu između kvantne teorije i termodinamike“, kaže Huber. „U ovom trenutku postoji mnogo zanimljivih napretka u ovoj oblasti. Polako postaje moguće videti kako se ta dva važna dela fizike prepliću.
Istraživanje je objavljeno u PRX Quantum.
