Pse ky fizikant po e sjell termodinamikën në epokën kuantike

Termodinamika, e zhvilluar në vitet 1800 në kontekstin e Revolucionit Industrial, përshkruan konceptet e fizikës të nxehtësisë, punës dhe energjisë (SN: 6/12/24). Fusha lindi nga përpjekjet shkencore për të kuptuar motorët me avull. Ndryshe nga ato që trokasin dhe përplasin makinat industriale, fizika kuantike përshkruan fenomene në shkallën e atomeve, elektroneve dhe të ngjashme, dhe ka nxitur zhvillimin e teknologjive moderne si kompjuterët kuantikë (SN: 28/6/23).

Në të kaluarën, disa fizikanë nuk mendonin se ideja e termodinamikës kuantike kishte kuptim. “Ata e panë atë si një oksimoron,” thotë Yunger Halpern.

Tani, megjithatë, të dy konceptet përplasen në motorët kuantikë dhe pajisje të tjera miniaturë. Studiuesit e termodinamikës kuantike synojnë të zhvillojnë mjetet për të përshkruar nxehtësinë, punën, ftohjen dhe efikasitetin në sistemet kuantike dhe të përcaktojnë kufijtë e performancës së pajisjeve kuantike. Yunger Halpern, një fizikant i Institutit Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë me bazë në Qendrën e Përbashkët për Informacionin Kuantik dhe Shkencën Kompjuterike në College Park, Md., është në ballë të këtyre përpjekjeve.

“Ajo ka një vizion dhe e ndjek atë,” thotë fizikani kuantik Aram Harrow nga MIT. “Ajo është gjithashtu e mirë në rekrutimin e njerëzve të tjerë për vizionin e saj.”

Një nga kontributet kryesore të Yunger Halpern ka qenë eksplorimi se çfarë mund të nënkuptojë koncepti kuantik pas parimit të pasigurisë së Heisenberg për termodinamikën.

Imagjinoni një filxhan çaj të nxehtë. Termodinamika përshkruan se si energjia lëviz nga çaji në ajrin përreth, ose si arratisen molekulat e ujit që avullojnë. Të dyja këto sasi – energjia dhe molekulat e ujit – ruhen në këtë skenar, që do të thotë se ato mund të lëvizin nga një vend në tjetrin, por sasia totale është fikse. Problemi i shpjegimit se si shkëmbehen sasitë e konservuara shfaqet vazhdimisht në termodinamikë.

Tani, po sikur çaji të mos ishte një filxhan i tërë, por një pako me vetëm disa atome? Yunger Halpern dëshiron të dijë se si do të ndryshonte shkëmbimi. Në fizikën kuantike, sasitë e konservuara mund të jenë të papajtueshme me njëra-tjetrën. Kjo do të thotë se ato nuk mund të maten njëkohësisht. Parimi i pasigurisë së Heisenberg, i cili thotë se sa më mirë të dini pozicionin e një objekti kuantik, aq më keq e dini momentin e tij dhe anasjelltas., jep një shembull të famshëm (SN: 1/12/22).

“Për shumë dekada, pothuajse askush nuk mendoi se çfarë ndodh kur ju keni një sistem dhe mjedis që shkëmbejnë sasi që janë të papajtueshme,” thotë Yunger Halpern. Rezulton se papajtueshmëria mund të ketë një ndikim real në mënyrën se si sillet sistemi, vunë në dukje ajo dhe kolegët në një anketë të temës të botuar në 2023 në Nature Reviews Fizikë. Për shembull, papajtueshmëria mund të zvogëlojë sasinë e entropisë, ose çrregullimit, që prodhohet në shkëmbime të tilla. Për shkak se entropia totale e një sistemi të izoluar tenton të rritet me kalimin e kohës, disa shkencëtarë mendojnë se entropia është e lidhur ngushtë me një “shigjetë të kohës” që dallon të ardhmen nga e kaluara.SN: 7/10/15). Në njëfarë kuptimi, thotë Yunger Halpern, kjo do të thotë se sasitë e papajtueshme mund të pengojnë aftësinë e një sistemi për të përjetuar atë shigjetë të kohës.

Termodinamika kuantike ka çuar në disa demonstrime të rregullta laboratorike. Për shembull, një atom i vetëm mund të shndërrohet në një motor kuantik që shndërron nxehtësinë në punë (SN: 14.4.16). Tani, Yunger Halpern synon të përdorë termodinamikën kuantike në përdorim praktik përmes makinave kuantike autonome.

Pajisjet tipike kuantike, të tilla si motorët me një atom, orët atomike ose pjesët kuantike që përbëjnë kompjuterët kuantikë, kërkojnë nxitje të vazhdueshme nga eksperimentuesit për të vepruar. Pajisjet autonome do të funksionojnë automatikisht.

Yunger Halpern u bashkua me kolegët për ta sjellë këtë ide në realitet. Rezultati ishte një frigorifer kuantik autonom që mund të ftohë automatikisht një bit kuantik, raportoi ekipi në maj 2023 në arXiv.org.

Dhe në një artikull arXiv të korrikut 2023, ajo dhe kolegët parashtruan kriteret që duhet të plotësohen për të krijuar një makinë kuantike autonome. Për shembull, këto makina duhet të kenë integritet strukturor dhe gjendje kuantike mjaftueshëm të pastra. Përveç kësaj, prodhimi i tyre duhet të jetë me vlerë inputin e nevojshëm për t’i ekzekutuar ato. Kjo do të thotë se një motor kuantik nuk mund të marrë më shumë energji për ta kontrolluar atë sesa nxjerr. Fizikani kuantik Marcus Huber punoi me Yunger Halpern në zhvillimin e këtyre kritereve. “E pashë atë të shkëlqyer, por edhe mega-intense dhe të fokusuar”, thotë Huber, nga TU Wien në Vjenë. “Ajo do t’ju breshëri me pyetje të përshtatshme dhe të mira.”

Nuk është vetëm shkenca e saj ajo që është në qendër të vëmendjes – edhe shkrimi i saj është gjithashtu. Libri i Yunger Halpern 2022, Quantum Steampunk: Fizika e së nesërmes së djeshmetërhoqi vëmendjen e publikut në terren. Ajo është gjithashtu një blogere shkencore në faqen e internetit Quantum Frontiers. Shkrimi, thotë Yunger Halpern, e lejon atë të eksplorojë ide të reja pa kufizimet e botimeve shkencore (spekulimet fantastike dhe idetë “jashtë” nuk ka të ngjarë të kalojnë rishikimin e kolegëve). “Të mendosh me të vërtetë gjerësisht dhe në mënyrë të egër dhe me aq kreativitet sa të ndihesh sikur të mendosh në një ditë të caktuar të muajit është e dobishme për të mbajtur kreativitet në fizikë.”

Dhe ashtu si puna e saj krahason të vjetrën dhe të renë, Yunger Halpern shpesh ilustron kontrastet, thotë Shayan Majidy nga Universiteti i Waterloo-s në Kanada dhe së shpejti do t’i bashkohet Universitetit Princeton, i cili së fundmi përfundoi doktoraturën, i këshilluar nga Yunger Halpern. Ajo i mban studentët e saj me standarde të larta, por është e ngrohtë dhe e kujdesshme si këshilltare. Majidy thotë se kur u martua, Yunger Halpern disi kuptoi markën e tij të preferuar lokale të akullores – Kawartha Dairy – dhe i dërgoi një kartë dhuratë.

Hobet e saj priren drejt aktiviteteve të qeta dhe me ritme të ngadalta: shëtitjet, vizitat në muze. Megjithatë ajo injekton pasion të fuqishëm në punën e saj. “Ajo ka interesa dhe shije shumë të modës së vjetër,” thotë Majidy, “por është kjo studiuese shumë e re, energjike e yjeve në rritje.”