Sciencemag.cz
Doporučujeme
V reálném světě nelze dosáhnout teploty absolutní nuly. Jenomže celá záležitost se poněkud komplikuje, když do hry vstoupí teorie informace.
Z tohoto pohledu – když se částice ochladí na absolutní nulu, znamená to, že jejich stav je přesně znám: zaručeně se nacházejí ve stavu s nejnižší energií. Neobsahují pak žádnou informaci o tom, v jakém stavu se nacházely předtím. Minulost je dokonale vymazána.
V tomto bodě se setkávají dvě klíčové fyzikální teorie, teorie informace a termodynamika. Zdá se však, že obě si navzájem odporují. „Z teorie informace známe takzvaný Landauerův princip. Ten říká, že k vymazání jednoho bitu informace je zapotřebí zcela konkrétní minimální množství energie,“ uvádí Marcus Huber z Vídeňské technické univerzity. Termodynamika však říká, že k ochlazení čehokoli přesně na absolutní nulu je potřeba nekonečně energie. Ale pokud je vymazání informace a ochlazení na absolutní nulu totéž…
Podle vědců problém spočívá v tom, že termodynamika vznikla v 19. století pro popis objektů klasické fyziky. Je třeba, alespoň pro řešení některých záhad, ji propojit s fyzikou kvantovou. Autoři nové studie tvrdí, že požadavek na nekonečnou energii potřebnou k ochlazení částic na absolutní nulu v tomto případě není správný. Stačí konečná energie, ale pak to bude zase trvat nekonečně dlouho (tím si stále pojišťujeme korespondenci s realitou – „že to v praxi nejde“). Ale tím záhady stále nekončí. Vědci z TU Wien totiž aktuálně navíc zjistili, že lze definovat kvantové systémy, které umožňují dosažení absolutního základního stavu i při konečné energii a v konečném čase.
A jak vyřešit tento problém? Příslušné kvantové systémy totiž mají další vlastnost, a to sice že jsou nekonečně složité. K ochlazení na absolutní nulu by tedy bylo potřeba nekonečně přesné řízení (poznámka: z pohledu laika: proč? Systém lze na první pohled přece ochlazovat bez toho, abychom ho jinak zkoumali), což je v praxi stejně tak nedosažitelné jako nekonečný čas nebo nekonečná energie.
Takže v souvislosti s absolutní nulou narážíme na tři nekonečna, energii, čas a složitost, přičemž zbavit se lze vždy pouze dvou z nich.
Celá tato ekvilibristika má mít ovšem i praktický význam, a to konkrétně pro kvantové počítače. „Pokud chcete dokonale vymazat kvantovou informaci v kvantovém počítači a při tom převést qubit do dokonale čistého základního stavu, pak byste teoreticky potřebovali nekonečně složitý kvantový počítač, který by dokázal dokonale ovládat nekonečný počet částic,“ říká dále Marcus Huber. Obecně: pro konstrukci „dokonalého“ kvantového počítače bychom potřebovali mít už předem k dispozici jiný kvantový počítač, taktéž „dokonalý“ a velmi speciální. V praxi to samozřejmě není nutné (vše stačí s potřebnou mírou přesnosti; mimochodem i klasický bit přepisujeme stále znovu podle toho, jak spolehlivě chceme původní informaci odstranit), nová práce fungování kvantových počítačů nijak nezpochybňuje, naopak prý ukazuje, jak lze vlastnosti kvantových počítačů ladit.
Philip Taranto et al, Landauer Versus Nernst: What is the True Cost of Cooling a Quantum System?, PRX Quantum (2023). DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.010332
Zdroj: Vienna University of Technology / Phys.org
Poznámka PH: Celé je to z pohledu laika samozřejmě poněkud obtížně přístupné, lze nejspíš pokývat hlavou.
