Физики из Бристольского университета (Великобритания) показали, как можно построить рефрижератор на основе одной или двух квантовых частиц.

Следует сразу заметить, что предложенные рефрижераторы автономны, чем и выделяются на фоне давно известных способов охлаждения, в которых над микроскопической системой совершается работа. К таким способам относится, к примеру, лазерное охлаждение.

Авторы рассматривают систему из трёх частиц — кубитов с основным и возбуждённым состояниями. Первый кубит представляет собой тот объект, который необходимо охладить; энергия его возбуждённого состояния обозначается как Е₁. Второй и третий кубит вместе составляют рефрижератор, а их энергии равны Е₂ (её значение должно превышать Е₁) и Е₃, причём Е₃ = Е₂ – Е₁. У такой системы есть две конфигурации с одинаковой полной энергией: первая, |101>, соответствует переводу первого и третьего кубитов в возбуждённое состояние, а вторая имеет вид |010> и реализуется при возбуждении второго кубита.

Рис. 1. Схема энергетических уровней трёх кубитов (сверху) и кубита и кутрита, составляющих разные варианты системы. Первая частица охлаждается. (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Если бы все кубиты находились при одной температуре, вероятность переходов |101> → |010> и |010> → |101> была бы одинакова, а сама система оказалась бы бесполезна. Для того чтобы добиться нужного результата, учёные вводят в систему известные по классическому циклу Карно «холодильник» и «нагреватель» с температурами Т_х < Т_н. Первые два кубита находятся в контакте с «холодильником», а третья частица контактирует с «нагревателем», вследствие чего вероятность состояния |101> (и перехода |101> → |010>) повышается. Следовательно, первый кубит будет чаще оказываться в основном состоянии, что и создаёт эффект охлаждения.

«Размер» рефрижератора соответствует количеству квантовых состояний системы; в случае трёх кубитов число возможных состояний равняется восьми. По мнению исследователей, это число можно уменьшить до шести, построив рефрижератор на основе одного кутрита — частицы с основным (|0>) и двумя возбуждёнными (|1> и |2>) состояниями. Здесь, однако, необходимо обеспечить разные температурные условия переходов |0> → |1> и |1> → |2>. «Это число состояний представляется нам минимально возможным», — говорит участник работ Ноа Линден (Noah Linden).

Физики также показали, что их схема позволяет приближаться на сколь угодно малое расстояние к абсолютному нулю. По мнению Ханса Бригеля (Hans Briegel) из Инсбрукского университета (Австрия), квантовые рефрижераторы вполне могут наблюдаться в природе: схожий механизм, к примеру, даёт теоретическую возможность одной части какой-нибудь биомолекулы охлаждать другую. Более подробно этот вопрос разбирается здесь.

Результаты исследований представлены в статье Physical Review Letters.

По материалам: