L'extraction du travail (c.-à-d. L'énergie utilisable) des processus quantiques est un objectif clé de la recherche sur la thermodynamique quantique, qui explore l'application des lois de la thermodynamique aux systèmes quantiques. Pendant ce temps, d'autres recherches sur la physique quantique ont étudié la dynamique non markovienne des systèmes quantiques ouverts, ce qui implique l'influence des états antérieurs sur l'évolution future des systèmes.
Des chercheurs de l'Université de Nottingham et de l'Université de São Paulo ont introduit un cadre général et rigoureux qui plie la thermodynamique quantique et la dynamique non markovienne, montrant que ce dernier pourrait servir de ressource qui peut être exploitée pour améliorer l'extraction du travail à partir de processus quantiques.
Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement futur des technologies quantiques.
« Ce document est survenu lorsque l'auteur principal, Guilherme Zambon, un étudiant de doctorat de São Paulo, a obtenu un financement de Fapesp pour visiter mon groupe à Nottingham pendant un an », a déclaré Gerardo Adesso, co-auteur du journal, à Issues.fr.
« Nous avons été inspirés par des caractérisations précoces de la thermodynamique en tant que théorie des ressources, et notre objectif initial était d'étendre ces études pour caractériser l'extraction du travail à partir de processus quantiques multiples généraux, pas seulement des états ou des canaux. »
La récente étude d'Adesso et Zambon visait à combler deux zones en évolution rapide de la science de l'information quantique, qui ont jusqu'à présent été considérées comme individuellement. Le premier domaine est la thermodynamique quantique, étudiée à travers la lentille de la théorie des ressources, tandis que la seconde est la non-markovuanity, analysée dans le contexte du framework dite du tenseur de processus.
« Bien qu'il ait été largement compris que les effets de la mémoire pouvaient améliorer les processus thermodynamiques, un lien général et rigoureux entre ces concepts manquait toujours », a déclaré Zambon, co-auteur de l'article. « Notre objectif principal était d'établir ce lien, fournissant une perspective unifiée sur la façon dont la mémoire influence les tâches thermodynamiques quantiques. »
Tout en essayant de connecter la thermodynamique quantique et la dynamique non markovienne, les chercheurs ont réalisé qu'il y avait plus d'une façon d'extraire le travail à partir de processus quantiques généraux. Ils ont finalement identifié quatre stratégies distinctes et ont constaté qu'ils pouvaient être naturellement disposés en une structure hiérarchique, en fonction de l'efficacité globale avec laquelle ils ont permis l'extraction du travail à partir de processus quantiques.
« Nous avons réalisé très bientôt que pour les processus markoviens, toute la hiérarchie s'effondre, ce qui signifie que les stratégies les plus élaborées n'offrent aucun avantage à l'extraction du travail, et la meilleure pourrait faire est une procédure séquentielle d'extraction de travail indépendamment de chaque étape du processus », a expliqué Adesso.
« Cependant, dans les processus généraux non markoviens, la hiérarchie devient stricte, et nous avons révélé des avantages définis à chaque étape. Fait intéressant, nous pourrions les épingler à des caractéristiques spécifiques de la non-markovianité, telles que les effets de la mémoire et les corrélations temporelles. Nous avons des exemples spécifiques illustrant ceux-ci pour chaque couche dans notre hiérarchie. »
Dans leur article, Adesso et Zambon représentent des processus quantiques généraux comme des «peignes quantiques», des structures mathématiques qui peuvent être utilisées pour décrire les processus quantiques en plusieurs étapes. Leur cadre proposé adopte ensuite une théorie de la thermodynamique quantique bien connue, connue sous le nom de théorie des ressources des opérations thermiques, pour estimer l'œuvre extractable des processus quantiques.
« Les travaux sont quantifiés en termes d'énergie libre, et la non-markovianity est quantifiée via une mesure géométrique définie sur les peignes (qui a été précédemment introduite par Zambon) », a expliqué Adesso.
« Notre connexion est non seulement qualitative, mais quantitative: grimper la hiérarchie, le travail supplémentaire qui peut être extrait est précisément limité par la quantité de non-markoviany du processus. Le résultat le plus intéressant pour moi est la hiérarchie des stratégies d'extraction de travail activées par la non-markovianity. »
Le nouveau cadre introduit par Adesso et Zambon est à la fois mathématiquement élégant et perspicace, car il montre que la non-markovianity offre divers avantages fondamentaux en termes de thermodynamique quantique. En plus de faire progresser la compréhension des systèmes quantiques, le cadre pourrait éclairer le développement futur des technologies qui reposent sur des processus thermodynamiques quantiques.
« Notre contribution clé était d'établir une relation rigoureuse et générale entre la thermodynamique et les effets de la mémoire, clarifiant les mécanismes qui permettent une extraction accrue de travail dans les processus non markoviens », a déclaré Zambon.
« De plus, nous avons dérivé des limites de continuité qui quantifient la quantité d'avantage qui peut être acquise en fonction du degré de non-markovianity – une étape vers des applications pratiques. Ces résultats pourraient influencer la conception de machines thermiques quantiques, de batteries et même d'informer les coûts thermodynamiques du calcul quantique. »
Les chercheurs espèrent que le cadre théorique qu'ils ont conçu contribuera bientôt à l'avancement de diverses technologies quantiques.
Bien que les résultats de leur étude récente s'applique spécifiquement aux processus avec une flèche de temps définie, ils prévoient désormais de déterminer si un ordre causal indéfini peut également servir de ressource pour l'extraction du travail.
« Plus fondamentalement, nous souhaitons rechercher si notre meilleure stratégie pour l'extraction de travail à partir de peignes quantiques est réversible, c'est-à-dire que, en dépensant autant de travail (et pas plus), on pourrait mettre en œuvre le processus au moyen d'opérations thermiques », a déclaré Adesso.
« Nous sommes également désireux d'explorer des démonstrations expérimentales, peut-être avec des configurations de résonance magnétique nucléaire, et d'analyser les processus non markoviens naturels et leur efficacité thermodynamique; cela peut apporter un éclairage sur l'interface de plus en plus populaire entre les informations quantiques et les sciences biochimiques. » «
Dans le cadre de leurs futures recherches, Adesso et Zambon exploreront également les applications pratiques de leur nouveau cadre théorique. Par exemple, ils aimeraient l'utiliser pour étudier les processus qui sous-tendent le fonctionnement des batteries quantiques, en nous concentrant sur la façon dont les effets de la mémoire peuvent optimiser le stockage et l'extraction de l'énergie.
« Nous prévoyons également d'utiliser notre cadre pour étudier la thermodynamique du calcul, ou en d'autres termes, des compromis énergétiques dans le traitement de l'information quantique », a ajouté Zambon.
« À l'avenir, nous prévoyons d'explorer ces résultats dans des paramètres plus concrètes. En nous concentrant sur ces scénarios spécifiques, nous espérons découvrir de nouvelles informations avec une pertinence expérimentale directe. »
