W fizyce nawet bardzo stare koncepcje wciąż są użyteczne po latach, często wpływając na koncepcje, które za ich czasów nawet nie istniały. Dobrym przykładem jest tu Demon Maxwella, którego założenia właśnie wpłynęły na obliczenia kwantowe, o których twórca tego pomysłu – Maxwell – nawet nie słyszał. Dla równowagi założę się, że większość z Was nie słyszała o drugim prawie termodynamiki, a tym, którzy słyszeli na drodze swojej edukacji, szczerze współczuję.
Demon Maxwella w komputerze kwantowym dba o poprawność wyniku
Zacznijmy więc od tego, jakie są założenia drugiej zasady termodynamiki. Tu jednak nie przytoczę głównej definicji, ponieważ ta wymaga dobrej znajomości termodynamiki, żeby ją zrozumieć. Zamiast tego posłużę się alternatywną definicją opracowaną przez niemieckiego fizyka Clausiusa:
Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byłoby pobranie ciepła ze zbiornika o temperaturze niższej i przekazanie go do zbiornika o temperaturze wyższej.
Tu warto podkreślić, że chodzi tu o JEDYNY wynik. Taka pompa ciepła, która… no cóż, pobiera ciepło ze zbiornika o niższej temperaturze i przekazuje go do zbiornika o wyższej temperaturze, dodatkowo sama generuje ciepło swoją pracą, a także ma elementy ruchome, więc tworzy do tego energię kinetyczną. Co więcej – pobiera energię z zewnątrz. Dlatego też nie spełnia tej definicji. Jeśli chcielibyście lepiej zrozumieć drugą zasadę termodynamiki, to polecam Wam ten materiał:
Czym jest demon Maxwella?
Czy jest więc coś, co spełnia taką definicję? Oczywiście, że nie – przynajmniej nie w świecie realnym. Jednak Maxwell stworzył taką istotę na drodze eksperymentu myślowego. Bo widzicie, jeśli mamy słoik z powietrzem, w którym panuje określona temperatura, to tak naprawdę znajdujące się w nim cząsteczki powietrza, które poruszają się po całym słoiku, mają różne energie. Natomiast temperatura to średnia energia cząsteczek powietrza w tym słoiku.
Demon Maxwella to natomiast nadprzyrodzona istota zdolna do śledzenia i nadążania za każdą z tych cząstek. W sytuacji, kiedy podzielimy słoik na pół szklaną ścianką z małymi drzwiczkami. Zadaniem demona jest przepuszczanie cząsteczek z wyższą energią do jednej połowy, a tych z niższą do drugiej. W ten sposób jedna komora stanie się znacznie cieplejsza, a druga znacznie chłodniejsza. Oczywiście takich istot nie ma, a nawet jakby były, to ich działania same w sobie byłyby pracą – dlatego w założeniach mamy demona, który rzecz jasna może łamać prawa termodynamiki.
Demon Maxwella w komputerze kwantowym
W takim razie, jakim cudem w komputerze kwantowym zastosowano coś, co nie ma prawa istnieć? To proste – nic takiego tam nie zastosowano. Istnieje tam jednak mechanizm, który potrafi korygować błędy, stawiając barierę dla zbyt energetycznych elektronów – tak jak demon Maxwella stawiał barierę dla cząsteczek powietrza o zbyt dużej energii, kiedy chciały się przedostać do chłodniejszego zbiornika.
Zobacz też: Stabilne kryształy czasowe przestały być tylko teorią – wszystko dzięki Google
Otóż elektrony o większej energii są główną przyczyną błędów w obliczeniach wykonywanych przez komputery kwantowe. Wynika to z tego, że maszyny te są niezwykle podatne na nadmiar energii. Dlatego też pracują one w niezwykle wręcz niskich temperaturach, aby minimalizować ryzyko błędu. To jednak wciąż występuje, ponieważ pojawiają się tam także elektrony nieco bardziej energetyczne, niż wymagane. I to właśnie na nie ma polować rzeczony kwantowy Demon Maxwella, zmniejszając ryzyko błędu aż 20-krotnie.
Źródło: sciencedaily.com, YouTube