Birçok kuantum parçacığı etkileşime girdiğinde karmaşık sistemler oluşturulabilir. Ve bu karmaşıklık, en azından prensipte, mutlak sıfır sıcaklığına ulaşmayı mümkün kılar. Kredi: IQOQI/ÖAW
Verileri mükemmel bir şekilde silmek ve mümkün olan en düşük sıcaklığa ulaşmak ilgisiz görünebilir, ancak aralarında güçlü bir bağlantı vardır. TU Wien’deki araştırmacılar, termodinamiğin üçüncü yasası için bir kuantum formülasyonu keşfettiler.
Mümkün olan en düşük sıcaklık olan mutlak sıfır sıcaklığı -273,15 santigrat derecedir. Ancak cisimler bu sıcaklığa ancak yaklaşabildikleri için bu sıcaklığa ulaşmak imkansızdır. Bu kavram, termodinamiğin üçüncü yasası olarak bilinir.
TU Wien’deki (Viyana) bir grup araştırmacı, yakın zamanda termodinamiğin üçüncü yasasının kuantum fiziği ilkeleriyle uyumluluğunu araştırdı. Mutlak sıfıra ulaşmanın teorik olarak mümkün olduğunu öne süren bu yasanın “kuantum versiyonunu” başarıyla formüle ettiler. Bununla birlikte, bunu başarmak için geçerli herhangi bir yöntem üç bileşen gerektirir: enerji, zaman ve karmaşıklık. Mutlak sıfıra ancak bu elementlerden biri sonsuz miktarda mevcutsa ulaşılabilir.
Bilgi ve termodinamik: bariz bir çelişki
Kuantum parçacıkları mutlak sıfıra ulaştığında, durumları tam olarak bilinir: Onlar en düşük enerjiye sahip durumda olmaları garanti edilir. Parçacıklar artık daha önce hangi durumda olduklarına dair herhangi bir bilgi içermiyor. Parçacığa daha önce olmuş olabilecek her şey mükemmel bir şekilde silinir. Kuantum fiziği açısından, bilgiyi soğutmak ve silmek bu nedenle yakından ilişkilidir.
Bu noktada iki önemli fiziksel teori buluşur: Bilgi teorisi ve termodinamik. Ancak ikisi birbiriyle çelişiyor gibi görünüyor: “Bilgi teorisinden, sözde Landauer ilkesini biliyoruz. TU Wien Atom Enstitüsü’nden Prof. Marcus Huber, “Bir bit bilgiyi silmek için çok özel bir minimum enerji miktarının gerekli olduğunu söylüyor” diyor. Ancak termodinamik, herhangi bir şeyi tam olarak mutlak sıfıra soğutmak için sonsuz miktarda enerjiye ihtiyacınız olduğunu söylüyor. Ancak bilgileri silmek ve mutlak sıfıra soğutmak aynı şeyse, bu nasıl birbirine uyuyor?
Enerji, zaman ve karmaşıklık
Sorunun kökleri, termodinamiğin 19. yüzyılda klasik nesneler için – buhar motorları, buzdolapları veya parlayan kömür parçaları için formüle edilmiştir. O zamanlar insanların kuantum teorisi hakkında hiçbir fikri yoktu. Bireysel parçacıkların termodinamiğini anlamak istiyorsak, önce termodinamiğin ve kuantum fiziğinin nasıl etkileşime girdiğini analiz etmeliyiz ve Marcus Huber ve ekibinin yaptığı da tam olarak buydu.
“Hemen anladık ki; mutlak sıfıra ulaşmak için mutlaka sonsuz enerji kullanmak zorunda,” diyor Marcus Huber. “Sınırlı enerjiyle de mümkün – ama o zaman bunu yapmak için sonsuz uzun bir zamana ihtiyacın var.” Bu noktaya kadar, değerlendirmeler ders kitaplarından bildiğimiz şekliyle klasik termodinamik ile hâlâ uyumludur. Ancak ekip çok önemli ek bir ayrıntıyla karşılaştı:
“Sonlu enerjide ve sonlu zamanda bile mutlak temel duruma ulaşılmasına izin veren kuantum sistemlerinin tanımlanabileceğini bulduk – hiçbirimiz bunu yapmamıştık. Bunu bekliyordum,” diyor Marcus Huber. “Fakat bu özel kuantum sistemlerinin başka bir önemli özelliği daha var: sonsuz derecede karmaşıklar.” Bu nedenle, kuantum sisteminin sonsuz sayıda detayı üzerinde sonsuz derecede hassas kontrole ihtiyacınız olacaktır – o zaman bir kuantum nesnesini, sonlu enerjiyle sonlu zamanda mutlak sıfıra soğutabilirsiniz. Elbette pratikte bu, sonsuz yüksek enerji veya sonsuz uzun süre kadar ulaşılamaz bir şeydir.
Kuantum bilgisayardaki verileri silme
“Öyleyse, bir bilgisayardaki kuantum bilgilerini mükemmel bir şekilde silmek istiyorsanız kuantum bilgisayar ve bu süreçte bir kübiti tamamen saf bir temel duruma aktarın, o zaman teorik olarak sonsuz sayıda parçacığı mükemmel bir şekilde kontrol edebilen sonsuz derecede karmaşık bir kuantum bilgisayara ihtiyacınız olacaktır,” diyor Marcus Huber. Ancak pratikte mükemmellik gerekli değildir – hiçbir makine asla mükemmel değildir. Bir kuantum bilgisayarın işini oldukça iyi yapması için yeterlidir. Dolayısıyla, yeni sonuçlar prensip olarak kuantum bilgisayarların geliştirilmesine engel değildir.
Kuantum teknolojilerinin pratik uygulamalarında, sıcaklık günümüzde önemli bir rol oynamaktadır – sıcaklık ne kadar yüksek olursa, kuantum durumlarının o kadar kolay olması kırılır ve herhangi bir teknik kullanım için kullanılamaz hale gelir. Marcus Huber, “Kuantum teorisi ile termodinamik arasındaki bağlantıyı daha iyi anlamanın tam da bu yüzden bu kadar önemli olduğunu” söylüyor. “Şu anda bu alanda çok ilginç gelişmeler var. Fiziğin bu iki önemli bölümünün nasıl iç içe geçtiğini görmek yavaş yavaş mümkün hale geliyor.”
Referans: “Landauer ve Nernst: Bir Kuantum Sistemini Soğutmanın Gerçek Maliyeti Nedir?” Philip Taranto, Faraj Bakhshinezhad, Andreas Bluhm, Ralph Silva, Nicolai Friis, Maximilian P.E. Lock, Giuseppe Vitagliano, Felix C. Binder, Tiago Debarba, Emanuel Schwarzhans, Fabien Clivaz ve Marcus Huber, 27 Mart 2023, PRX Quantum.
DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.010332