Was ist der kleinste Kühlschrank, den du je gesehen hast? Wissenschaftler haben einen Weg vorgeschlagen, einen "Kühlschrank" zu bauen, der nur aus wenigen Partikeln besteht, aber Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erzeugen kann.
(hellgrün gepunktete Linie) zum Zustand |010>(dunkelgrün gepunktete Linie) wäre gleich der Wahrscheinlichkeit des umgekehrten Übergangs, weil die Gesamtenergie des Systems in diesen Zuständen gleich ist. Wird Qubit 3 aber hohen Temperaturen ausgesetzt, steigt die Wahrscheinlichkeit für den Zustand |101>. Die Wahrscheinlichkeit des Übergangs |101>→ |010>wird ebenfalls steigen, wodurch ein Kühleffekt für Qubit 1 eintritt. >
„Kühlschrank“aus zwei Qubits 1 – gekühltes Qubit, 2, 3 – Qubits, die den „Kühlschrank“bilden. Die horizontalen Linien zeigen die Energieniveaus, auf denen sich Qubits befinden können. Wenn alle drei Teilchen die gleiche Temperatur hätten, wäre die Wahrscheinlichkeit des Übergangs des Systems vom Zustand |101>(hellgrün gepunktete Linie) in den Zustand |010>(dunkelgrün gepunktete Linie) gleich der Wahrscheinlichkeit des umgekehrten Übergangs, weil die Gesamtenergie des Systems in diesen Zuständen gleich ist. Wird Qubit 3 aber hohen Temperaturen ausgesetzt, steigt die Wahrscheinlichkeit für den Zustand |101>. Die Wahrscheinlichkeit des Übergangs |101>→ |010>wird ebenfalls steigen, wodurch es zu einem Kühleffekt für das Qubit 1 kommt.
Eine neue Studie von Wissenschaftlern der University of Bristol (Großbritannien) zeigt die theoretischen Grenzen, wie klein ein funktionierendes Kühlgerät sein kann. "In den frühen Tagen der Thermodynamik wurde sie auf große Objekte wie die Dampfmaschine angewendet", sagte der Cambridge-Physiker Tony Short, der nicht an der Studie beteiligt war. „Dass alle Grundprinzipien der Thermodynamik auf winzige Systeme bis hin zu Quantensystemen übertragbar sind und diese Prinzipien trotzdem funktionieren, ist einfach wunderbar.“
Die Physiker Noah Linden, Sandu Popescu und Paul Skrzypczyk haben ein Kühlsystem vorgeschlagen, das auf drei gekoppelten Qubits basiert – Teilchen, die in einem von zwei Zuständen existieren können. Das erste Qubit spielt die Rolle eines gekühlten Objekts. Die anderen beiden Qubits bilden den „Kühlschrank“. Einer von ihnen hat eine Temperatur nahe der Raumtemperatur und der andere eine hohe Temperatur.
Quantenbindungen zwischen Teilchen ermöglichen es ihnen, sich gegenseitig zu beeinflussen. Ein „heißes“Qubit absorbiert die Energie der Umgebung und „zieht“ein „warmes“Qubit mit sich, das wiederum einem „k alten“Qubit Energie entzieht und letzteres auf sehr niedrige Temperaturen abkühlt. Überschüssige Energie wird vom „warmen“Qubit abgeführt, ähnlich wie ein Kondensatorrohr auf der Rückseite eines Küchenkühlschranks Wärme an die Umgebung abgibt.
Je „heißer“das dritte Qubit ist, desto größer ist nach Berechnungen von Physikern die Kühlleistung der Anlage. Und solange die hohe Temperatur aufrechterh alten wird, arbeitet das System kontinuierlich.
Ideen für kleine Kühlsysteme gab es schon früher, aber die Entwicklung der Wissenschaftler aus Bristol ist die erste, die nicht von äußeren Einflüssen (zB Laser) abhängt. Lindens Gruppe schlug auch ein noch kleineres System vor, das nur aus einem Teilchen, Kutrit, besteht. Ein Qutrit kann im Gegensatz zu einem Qubit nicht in zwei, sondern in drei Zuständen existieren. „Wir glauben, dass dies das kleinstmögliche System ist, das man als Kühlschrank bezeichnen kann“, sagt Linden.
Forscher wollen ihre Ideen in die Praxis umsetzen, indem sie einen funktionierenden "Quantenkühlschrank" bauen. Eine solche Vorrichtung kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen zu steuern, indem einzelne Abschnitte des Proteinmoleküls gekühlt werden; oder um einzelne Elemente von Quantencomputern auf niedriger Temperatur zu h alten.
Der Physiker Nicolas Gisin von der Universität Genf schlug vor, dass solche „Quantenkühlschränke“in der Natur existieren könnten. Beispielsweise können Moleküle auf einer Seite eines von der Sonne erhitzten Pflanzenblattes mit einem gekühlten Partikel auf der anderen Seite des Blattes in Verbindung gebracht werden. Linden nannte die Idee „aufregend“, wies jedoch schnell darauf hin, dass es sich nur um eine Idee handelte. Er räumt jedoch ein, dass er sich "sehr freuen" würde, wenn sich eine solche Vermutung bestätigen würde.
