Stworzono obwód ciśnienia fotonów w skali kwantowej. Co to za urządzenie?

Naukowcy stworzyli obwód ciśnienia fotonów, w którym przepływ ciepła jest inny niż w świecie makroskopowym.
Obwód ciśnienia fotonów – schemat
Obwód ciśnienia fotonów – schemat

Fizycy z Uniwersytetu Technicznego w Delfcie (TU Delft), ETH Zurich i Uniwersytetu w Tybindze zbudowali pompę ciepła wykonaną z cząsteczek światła. Urządzenie to przybliża naukowców do kwantowej granicy pomiaru sygnałów o częstotliwości radiowej, co może być przydatne w polowaniu na ciemną materię. Szczegóły opublikowano w czasopiśmie Science Advances.

Obwód ciśnienia fotonów w skali kwantowej

Jeśli połączymy ze sobą dwa obiekty o różnej temperaturze, np. włożysz ciepły termos z herbatą do zimnego opakowania chłodzącego, ciepło zazwyczaj przepływa w jednym kierunku – od gorącego (herbata) do zimnego (opakowania chłodzącego). Jeśli poczekamy wystarczająco długo, obie substancje osiągną tę samą temperaturę, co jest procesem znanym w fizyce jako stan równowagi termodynamicznej – równowagi między przepływem ciepła w obu kierunkach.

Równowagę tę można zaburzyć i spowodować przepływ ciepła w pozornie niewłaściwy sposób – ale pod warunkiem wykonania pewnej pracy. Właśnie taki proces ma miejsce w lodówkach oraz w pompach ciepła, które mogą ukraść ciepło z zimnego powietrza na zewnątrz, aby ogrzać dom. Zespół Gary’ego Steele’a zaprezentował kwantowy analog pompy ciepła – fotony poruszają się w nim “pod prąd”: z obiektu gorącego do zimnego.

Czytaj też: Fizyka kwantowa – siedem faktów, które warto znać

Już w poprzednim badaniu wykorzystano niezwykłe urządzenie jako zimną kąpiel dla gorących fotonów o częstotliwości radiowej, ale teraz udało się jednocześnie przekształcić je we wzmacniacz. Dzięki temu, urządzenie jest bardziej wrażliwe na sygnały o częstotliwości radiowej, podobnie jak to się dzieje ze wzmocnionymi sygnałami mikrofalowymi wychodzącymi z nadprzewodzących procesorów kwantowych.

To bardzo ekscytujące, ponieważ możemy zbliżyć się do granicy kwantowej pomiaru sygnałów o częstotliwości radiowej, częstotliwości, które są trudne do zmierzenia w inny sposób. To nowe narzędzie pomiarowe może mieć mnóstwo zastosowań, jednym z nich jest poszukiwanie ciemnej materii.Gary Steele

Urządzenie, znane jako obwód ciśnienia fotonów, jest wykonane z nadprzewodzących cewek i kondensatorów na krzemowym chipie schłodzonym do temperatury zaledwie kilku milistopni powyżej zera absolutnego. Dla niektórych fotonów w obwodzie temperatura ta jest wysoka i są one wzbudzane energią cieplną. Fizycy mogą sprzęgać te wzbudzone fotony z zimnymi fotonami o wyższej częstotliwości, co w poprzednich eksperymentach pozwoliło im schłodzić gorące fotony do ich kwantowego stanu podstawowego.

Nowa praca wykazała, że wysyłając dodatkowy sygnał do zimnego obwodu, można stworzyć silnik, który wzmacnia zimne fotony i je podgrzewa. Jednocześnie, dodatkowy sygnał “pompuje” fotony preferencyjnie w jednym kierunku pomiędzy dwoma obwodami. Dzięki temu można schłodzić fotony w jednej części obwodu do temperatury, która jest zimniejsza niż druga część, tworząc kwantową wersję pompy ciepła dla fotonów w obwodzie nadprzewodzącym.