All steerable quantum correlations can provide thermodynamic advantages in cooling

L'informatica, che si esegue su chip di silicio in un laptop o su delicati stati quantistici in un laboratorio, è fondamentalmente un processo di gestione del calore. Ogni volta che l'informazione viene elaborata o un calcolo viene completato, l'energia viene convertita in calore di scarto. Nel mondo quantistico, questo calore è particolarmente pericoloso perché anche il minimo rumore termico può distruggere le fragili sovrapposizioni e gli entanglement che rendono potenti i computer quantistici. Per mantenere queste macchine in funzione, gli scienziati devono raffreddarle costantemente, spesso a temperature vicine allo zero assoluto. La sfida non è solo rimuovere questo calore, ma farlo in modo efficiente. Se il processo di raffreddamento richiede troppa energia o crea troppo disordine, l'intero sistema diventa impraticabile. È qui che la natura della connessione tra le diverse parti di un sistema quantistico diventa critica. I ricercatori sanno da tempo che le particelle quantistiche possono essere collegate in modi che non hanno un equivalente classico, permettendo loro di influenzarsi istantaneamente attraverso le distanze. Un tipo specifico di questa connessione, noto come steering (orientamento), permette a un osservatore di "orientare" efficacemente lo stato di una particella distante scegliendo come misurare la propria. Sebbene questo fenomeno sia stato studiato per il suo potenziale nella comunicazione sicura e nella generazione di numeri casuali, il suo ruolo nella termodinamica è rimasto in gran parte inesplorato.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato che questa specifica connessione quantistica, lo steering, può essere utilizzata come combustibile per raffreddare un sistema in modo più efficace di quanto possa fare qualsiasi collegamento classico. Nel loro lavoro, hanno progettato un compito di raffreddamento teorico che imita il funzionamento di un frigorifero microscopico. Immaginate due scienziati, Alice e Bob, che si trovano lontani l'uno dall'altra. Condividono una coppia di particelle quantistiche che sono collegate tra loro. Alice esegue una misurazione sulla sua particella, e il risultato di quella misurazione determina istantaneamente lo stato della particella di Bob, anche se lei non l'ha toccata. Bob usa poi questo stato appena preparato della sua particella per interagire con un bagno termico, un serbatoio di energia termica. Calibrando attentamente il modo in cui cambia i livelli energetici della sua particella e permettendole di stabilizzarsi, Bob può estrarre calore dal bagno. I ricercatori hanno scoperto che quando Alice e Bob condividono un legame quantistico che possiede la proprietà dello steering, Bob può estrarre significativamente più calore dal bagno rispetto a quanto farebbe se condividessero un legame che potesse essere spiegato solo dalla fisica classica.

Lo studio dimostra che questo vantaggio non è una fluttuazione minore, ma una caratteristica fondamentale del mondo quantistico. Per ogni scenario in cui il legame quantistico permette lo steering, esiste un protocollo di raffreddamento specifico in cui il metodo quantistico supera il miglior metodo classico possibile. I ricercatori hanno quantificato questo vantaggio confrontando la quantità di calore rimosso nello scenario quantistico rispetto alla quantità rimossa nello scenario classico. Hanno dimostrato che il rapporto tra queste due quantità è sempre maggiore di uno laddove è presente lo steering. In effetti, l'entità di questo vantaggio è direttamente legata a una misura matematica di quanto sia forte lo steering. Più forte è lo steering, maggiore è il calore che può essere rimosso. Questa relazione è così precisa che la quantità di raffreddamento extra ottenuto può servire come testimone, un segnale chiaro che il sistema sta effettivamente utilizzando lo steering quantistico. Se il vantaggio di raffreddamento è superiore a una certa soglia, è matematicamente impossibile che il sistema stia operando con sole correlazioni classiche.

I ricercatori hanno anche esplorato come questo vantaggio cambi al crescere delle dimensioni del sistema quantistico. Hanno costruito un esempio specifico utilizzando particelle che esistono in uno spazio ad alta dimensionalità, piuttosto che nei semplici sistemi a due stati spesso usati negli esperimenti di base. Hanno scoperto che all'aumentare della dimensione del sistema, aumenta anche il vantaggio di raffreddamento. In sistemi con un gran numero di stati possibili, il metodo quantistico può rimuovere una quantità di calore vastamente superiore rispetto al limite classico. Ciò suggerisce che, man mano che le tecnologie quantistiche aumentano di scala per gestire informazioni più complesse, i benefici dell'uso di queste correlazioni di steering per il raffreddamento diventeranno ancora più pronunciati. Il lavoro stabilisce che lo steering non è solo una curiosità della meccanica quantistica, ma una vera risorsa termodinamica. Esso fornisce un nuovo modo di pensare al raffreddamento, suggerendo che l'atto stesso di misurare una parte di un sistema quantistico può essere sfruttato per azionare un frigorifero, offrendo una via verso una gestione termica più efficiente nei futuri dispositivi quantistici.

Il protocollo proposto dal team si basa su operazioni standard che sono già alla portata della tecnologia sperimentale attuale. Prevede il cambiamento rapido delle impostazioni energetiche di una particella, un processo noto come quench (tempra), e poi il lasciare che la particella interagisca con un bagno termico finché non raggiunge una temperatura stabile. Questi passaggi sono simili a quelli utilizzati in altri motori e frigoriferi microscopici. Poiché il metodo non richiede attrezzature esotiche nuove, ma piuttosto l'uso intelligente di esistenti legami quantistici, potrebbe essere testato in laboratorio utilizzando circuiti superconduttori, ioni intrappolati o persino gli spin nucleari di difetti nei cristalli di diamante. Le scoperte suggeriscono che il futuro dell'informatica quantistica potrebbe dipendere non solo dalla costruzione di migliori qubit, ma anche dalla comprensione di come sfruttare al meglio i modi unici in cui questi qubit possono essere connessi tra loro per gestire il calore che generano. Dimostrando che lo steering offre un vantaggio termodinamico provabile, i ricercatori hanno aperto un nuovo capitolo nello studio della termodinamica quantistica, collegando il concetto astratto di influenza non locale direttamente al compito pratico del raffreddamento.