صفر مطلق قابل دستیابی است؟ دانشمندان یک فرمول کوانتومی برای قانون سوم ترمودینامیک پیدا کردند

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۶ آوریل ۲۰۲۳
لینک منبع: Absolute Zero Is Attainable? Scientists Have Found a Quantum Formulation for the Third Law of Thermodynamics

پاک کردن کامل داده‌ها و دست‌یابی به کم‌ترین دمای ممکن ممکن است نامربوط به نظر برسد، اما ارتباط قوی با یک‌دیگر دارند. محققان دانشگاه TU Wien یک فرمول کوانتومی برای قانون سوم ترمودینامیک کشف کردند.

دمای صفر مطلق که کم‌ترین دمای ممکن است ۲۷۳.۱۵- درجه سانتی‌گراد است. با این حال، رسیدن به این دما غیرممکن است زیرا اجسام فقط می‌توانند به آن نزدیک شوند. این مفهوم به‌عنوان قانون سوم ترمودینامیک شناخته می‌شود.

گروهی از محققان دانشگاه TU Wien (وین) اخیراً سازگاری قانون سوم ترمودینامیک با اصول فیزیک کوانتومی را بررسی کرده‌اند. آن‌ها با موفقیت یک «نسخه کوانتومی» از این قانون را فرموله کردند، که فرض می‌کند رسیدن به صفر مطلق از نظر تئوری امکان‌پذیر است. با این حال، هر روش مناسب برای دست‌یابی به این امر مستلزم سه جزء است: انرژی، زمان و پیچیدگی. صفر مطلق تنها زمانی حاصل می‌شود که یکی از این عناصر در عرضه بی‌نهایت موجود باشد.

اطلاعات و ترمودینامیک: یک تناقض آشکار

وقتی ذرات کوانتومی به صفر مطلق می‌رسند، وضعیت آن‌ها دقیقاً مشخص می‌شود: تضمین می‌شود که در حالتی با کم‌ترین انرژی قرار دارند. پس از آن ذرات دیگر حاوی هیچ اطلاعاتی در مورد وضعیتی که قبلاً در آن قرار داشتند، نیستند. هر چیزی که ممکن است قبلاً برای ذره اتفاق افتاده باشد کاملاً پاک می‌شود. از نقطه‌نظر فیزیک کوانتومی، خنک کردن و حذف اطلاعات ارتباط نزدیکی با هم دارند.

در این مرحله، دو نظریه فیزیکی مهم به هم می‌رسند: نظریه اطلاعات و ترمودینامیک. اما به نظر می‌رسد که این دو با یکدیگر در تضاد هستند: «از نظریه اطلاعات، ما به اصطلاح اصل لاندوئر را می‌شناسیم. پروفسور مارکوس هوبر از مؤسسه اتمی TU Wien توضیح می‌دهد که می‌گوید حداقل مقدار انرژی بسیار خاصی برای حذف یک بیت از اطلاعات لازم است. با این حال، ترمودینامیک می‌گوید که برای خنک کردن هر چیزی دقیقاً به صفر مطلق نیاز به مقدار بی‌نهایت انرژی دارید. اما اگر حذف اطلاعات و خنک کردن به صفر مطلق یکسان است -چگونه با هم هماهنگ می‌شود؟

انرژی، زمان و پیچیدگی

ریشه‌های مشکل در این واقعیت نهفته است که ترمودینامیک در قرن نوزدهم برای اشیاء کلاسیک -برای موتورهای بخار، یخچال‌ها یا قطعات درخشان زغال‌سنگ- فرموله شد. در آن زمان، مردم هیچ ایده‌ای در مورد نظریه کوانتومی نداشتند. اگر بخواهیم ترمودینامیک ذرات منفرد را درک کنیم، ابتدا باید نحوه تعامل ترمودینامیک و فیزیک کوانتومی را تجزیه‌وتحلیل کنیم -و این دقیقاً همان کاری است که مارکوس هوبر و تیمش انجام دادند.

مارکوس هوبر می‌گوید: «ما به سرعت متوجه شدیم که برای رسیدن به صفر مطلق لزوماً نیازی به استفاده از انرژی بی‌نهایت نیست. «این با انرژی محدود نیز امکان‌پذیر است -اما پس از آن برای انجام آن به زمان بی‌نهایت طولانی نیاز دارید.» تا این مرحله، ملاحظات هم‌چنان با ترمودینامیک کلاسیک، همان‌طور که از کتاب‌های درسی می‌شناسیم، سازگار است. اما پس از آن تیم به جزئیات دیگری که اهمیت بسیار زیادی داشت، برخورد کرد:

مارکوس هوبر می‌گوید: «ما دریافتیم که سیستم‌های کوانتومی را می‌توان تعریف کرد که اجازه می‌دهند تا به حالت پایه مطلق حتی در انرژی محدود و در زمان محدود دست پیدا کند –هیچ‌کدام از ما چنین انتظاری را نداشتیم.» اما این سیستم‌های کوانتومی خاص ویژگی مهم دیگری دارند: آن‌ها بی‌نهایت پیچیده هستند. بنابراین شما به کنترل بی‌نهایت دقیقی بر بی‌نهایت جزئیات سیستم کوانتومی نیاز دارید– سپس می‌توانید یک جسم کوانتومی را در زمان محدود با انرژی محدود به صفر مطلق سرد کنید. البته در عمل این امر به اندازه انرژی بی‌نهایت زیاد یا زمان بی‌نهایت طولانی دست‌نیافتنی است.

پاک کردن داده‌ها در کامپیوتر کوانتومی

مارکوس هوبر می‌گوید: بنابراین اگر می‌خواهید اطلاعات کوانتومی را در یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً پاک کنید و در این فرآیند یک کیوبیت را به حالت پایه کاملاً خالص منتقل کنید، از نظر تئوری به یک کامپیوتر کوانتومی بی‌نهایت پیچیده نیاز دارید که بتواند بی‌نهایت ذره را به‌طور کامل کنترل کند.» با این حال، در عمل، کمال ضروری نیست -هیچ ماشینی هرگز کامل نیست. کافی است یک کامپیوتر کوانتومی کار خود را به خوبی انجام دهد. بنابراین نتایج جدید اصولاً مانعی برای توسعه رایانه‌های کوانتومی نیست.

در کاربردهای عملی فناوری‌های کوانتومی، دما امروزه نقش کلیدی ایفا می‌کند -هر چه دما بالاتر باشد، شکستن و غیرقابل استفاده شدن حالت‌های کوانتومی برای هر کاربرد فنی آسان‌تر است. مارکوس هوبر می‌گوید: دقیقاً به همین دلیل است که درک بهتر ارتباط بین نظریه کوانتومی و ترمودینامیک بسیار مهم است. «در حال حاضر پیشرفت‌های جالب زیادی در این زمینه وجود دارد. به تدریج می‌توان دید که چگونه این دو بخش مهم فیزیک در هم تنیده می‌شوند.»

این متن با استفاده از ربات ‌ترجمه مقالات فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.