Várias pessoas me perguntaram se Escrevendo um livro de ciência standard Alimentou -se de volta à minha pesquisa. Nature Physics publicou minha ilustração favorita da resposta em janeiro. Aqui está a história por trás do jornal.
No last de 2020, eu estava sentado ao lado de uma janela no meu escritório em casa (também conhecida como sala de estar) em Cambridge, Massachusetts. Eu desenhei 15 capítulos do meu livro Quantum steampunk. O epílogo, eu decidi, descreveria oportunidades para o futuro da termodinâmica quântica. Então, eu tive que ter oportunidades para o futuro da termodinâmica quântica. O restante do livro havia relacionado informações fundamentais fornecidas pela Termodinâmica Quântica sobre a natureza do universo. Por exemplo, a termodinâmica quântica havia aguçado a segunda lei da termodinâmicao que ajuda a explicar a flecha do tempo, em declarações mais precisas. A termodinâmica convencional não apenas forneceu insights fundamentais, mas também acompanhou a Revolução Industrial, um modelo de praticidade. A termodinâmica quântica também poderia oferecer utensílios práticos?
Os termodinâmicos quânticos haviam projetado motores quânticos, geladeiras, baterias e catracas. Alguns desses dispositivos podem superar seus colegas clássicos, de acordo com certas métricas. Os experimentalistas até perceberam alguns desses dispositivos. Mas os dispositivos não foram úteis. Por exemplo, um motor quântico simples consistia em um átomo. Eu esperava que esse átomo produzisse um eletronvolt de energia por ciclo do motor. (Uma lâmpada emite cerca de 1021 Electronvolts de luz por segundo.) Resfriando o átomo e manipulando que custaria cargas mais energia. O motor não ganhou sua fortaleza.
As máquinas quânticas autônomas ofereciam maior esperança de praticidade. Por autônomoQuero dizer, não exigindo controle externo dependente do tempo: ninguém precisa de botões de torcer ou pressionar os botões para guiar a máquina por meio de sua operação. Esse controle requer trabalho – energia organizada e coordenada. Em vez de receber trabalho, uma máquina autônoma acessa um ambiente frio e um ambiente quente. Calor – random, energia desorganizada mais barata que o trabalho – flui do quente para o frio. A máquina transforma parte desse calor em trabalho para poder. Ou seja, a máquina obtém seu próprio trabalho de calor barato em seus arredores. Alguns ar condicionados operam de acordo com esse princípio. O mesmo acontece com algumas máquinas quânticas – máquinas quânticas autônomas.
Os termodinâmicos haviam projetado motores quânticos autônomos e geladeiras. Os experimentalistas de íons presos haviam percebido um dos refrigeradores, em um resultado inovador. Ainda assim, a geladeira quântica autônoma não period prática. Manter o frio e manter seu comportamento quântico exigia um trabalho substancial.
Minha comunidade precisava, escrevi em meu epílogo, um análogo de painéis solares no sul da Califórnia. (Eu provavelmente redigi o epílogo durante um inverno de Boston, Pensando melancolicamente de Pasadena.) Se você construiu um painel photo voltaic no SoCal, poderá sentar e colher os benefícios o ano todo. O painel cumpriria sua missão sem mais esforço de você. Se você construísse um painel photo voltaic em Rochester, teria que raspar a neve. Além disso, o painel forneceria energia apenas alguns meses por ano. O custo pode não superar o benefício. Máquinas térmicas quânticas lembravam painéis solares em Rochester, escrevi. Precisávamos de um análogo do SoCal: um ambiente apropriado. A maior parte seria fria (diferentemente do SoCal), de modo que a manutenção da natureza quântica de uma máquina custaria a um usuário quase nenhuma energia further. A configuração também deve conter um ambiente um pouco mais quente, para que o calor líquido flua. Se você depositasse uma máquina quântica autônoma em um SoCal quântico, a máquina operaria por conta própria.
Onde poderíamos encontrar um SoCal quântico? Eu não fazia ideia.
Alguns meses depois, recebi um e -mail da Quantum Experimentalist Simone Gasparinetti. Ele estava montando um laboratório na Universidade de Chalmers, na Suécia. O que, ele perguntou, eu vi como oportunidades de termodinâmica quântica experimental? Nunca nos conhecemos, mas concordamos em aumentar o zoom. Quantum steampunk Em minha mente, descrevi meu desejo de praticidade. Eu descrevi máquinas quânticas autônomas. Eu descrevi meu desejo por um SoCal quântico.
Eu tenho, disse Simone.
Simone e seus colegas estavam construindo um computador quântico usando qubits supercondutores. Os qubits se encaixam em um chip sobre o tamanho da minha mão. Para manter o chip frio, os experimentalistas o colocam em uma geladeira de diluição. Você provavelmente já viu fotos de geladeiras de diluição do Google, IBM e similares. Os frigoríficos tendem a ser monstruosidades cilíndricas de cor dourada, das quais os fios se destacam. (Ou seja, eles parecem steampunk.) Você pode facilmente desenvolver a impressão de que o cilindro é um computador quântico, mas é apenas a geladeira.
A geladeira, disse Simone, se assemelha a uma cebola: possui várias camadas. As camadas externas são mais quentes e as camadas internas são mais frias. O computador quântico fica na camada mais interna, de modo que se comporta o mais quantum mecanicamente possível. Mas, às vezes, mesmo a geladeira não mantém o computador frio o suficiente.
Think about que você terminou um cálculo quântico e está se preparando para o próximo. O computador escreveu informações quânticas para certos qubits, como você provavelmente escreveu em papel de sucata enquanto calcula algo em uma aula de matemática. Para se preparar para a sua próxima tarefa de matemática, dado o papel de sucata limitado, você apagaria seu papel de sucata. Os qubits do computador quântico precisam apagar da mesma forma. Apagarneste contexto, significa esfriar ainda mais do que a geladeira de diluição pode gerenciar.
Por que não usar uma geladeira quântica autônoma para resfriar os qubits de sucata?
Adorei a ideia, por três razões. Primeiro, poderíamos colocar a geladeira quântica ao lado do computador quântico. A geladeira de diluição já estaria fria, pelo bem dos cálculos quânticos. Portanto, não teríamos que gastar (quase qualquer) trabalho further para manter o frio da geladeira quântica. Segundo, Simone poderia conectar a geladeira quântica a uma camada de cebola externa através de um cabo. O calor fluiria da camada externa mais quente para a camada interna mais fria. Do calor, a geladeira quântica pode extrair trabalho. A geladeira quântica usaria esse trabalho para resfriar os qubits computacionais – para apagar o papel de sucata quântica. A geladeira quântica atenderia o computador quântico. Então, terceiro, a geladeira quântica se qualificaria como prática.
Nos três anos seguintes, trazemos essa visão à vida. (Por nósEu quero dizer principalmente o grupo de Simone, pois meu grupo não tem um laboratório.)
PostDoc Aamir Ali liderou o experimento. O estudante do então mestre Paul Jamet Suria e o estudante de doutorado Claudia Castillo-Moreno o ajudaram. O pós -doutorado de Maryland, Jeffrey M. Epstein, começou a simular os qubits supercondutores numericamente, depois passou o bastão para o estudante de doutorado José Antonio Marín Guzmán.
O experimento forneceu uma prova de princípio: demonstrou que a geladeira quântica poderia operar. Os experimentalistas não aplicaram a geladeira quântica em uma computação quântica. Além disso, eles não conectaram a geladeira quântica a uma camada de cebola externa. Em vez disso, eles bombearam fótons quentes para a geladeira quântica através de um cabo. Mas mesmo em um experimento tão despojado, a geladeira quântica superou minhas expectativas. Eu pensei que mal diminuiria a temperatura do qubit de “sucata”. Mas esse qubit atingiu uma temperatura de 22 milikelvin (MK). Para comparação: se o qubit tivesse apenas se sentado na geladeira de diluição, ele teria atingido uma temperatura de 45 a 70 mk. Os protocolos de última geração haviam reduzido as temperaturas dos qubits de sucata para 40-49 mk. Portanto, nossa geladeira quântica superou nossos concorrentes, através das lentes da temperatura. (Nossa geladeira quântica esfriou mais lentamente do que eles, no entanto.)
Simone, José Antonio e eu acompanhamos nossa geladeira quântica autônoma com Uma revisão prospectiva sobre máquinas quânticas autônomas úteis. Fique de olho em um publish sobre a resenha … e pelo que esperamos crescer em um subcampo.
Em resumo, sim, a publicação de um livro de ciência standard pode beneficiar a pesquisa.
