Le principe de Landauer est un concept de thermodynamique également pertinent dans la théorie de l'information, qui indique que l'effacement d'un peu d'informations d'un système d'information entraîne la dissipation d'au moins un montant spécifique (c'est-à-dire, kBTln2) d'énergie. Ce principe a jusqu'à présent été principalement pris en compte dans le contexte des ordinateurs classiques et des systèmes de traitement de l'information.
Pourtant, des chercheurs de Tu Vienne, du Freie Universität Berlin, de l'Université de la Colombie-Britannique, de l'Université de Crète et de l'Université de Pavia ont récemment étendu le principe de Landauer aux systèmes quantiques à plusieurs corps, des systèmes composés de nombreuses particules quantiques interagissantes.
Leur article, publié dans Physique de la natureintroduit une approche viable pour sonder expérimentalement ce principe crucial dans un régime quantique et tester des prédictions théoriques enracinées dans la thermodynamique quantique.
« Il a longtemps été reconnu que les concepts de thermodynamique et d'informations sont profondément liés », a déclaré Jens Eisert, auteur principal du journal.
« Des pionniers comme Boltzmann et Gibbs ont été guidés par des informations profondes sur la façon dont les connaissances que nous avons sur un système façonnent sa description significative – une compréhension ultérieure enrichie par le travail fondamental de Shannon dans la théorie abstraite de l'information. À son cœur, les informations régissent le comportement des systèmes thermodynamiques, déterminant si l'énergie est canalisée dans un travail utile ou dissipé comme chaleur. »
Deux expériences de pensée différentes réalisées par les physiciens James Clerk Maxwell et Leo Szilard dans les années 1860 et 1920, ont été parmi les premiers à introduire l'idée que la thermodynamique résulte d'informations incomplètes. Cette idée a finalement contesté les théories précédentes, décrivant les paradoxes qui émergent sous certaines hypothèses hypothétiques sur l'accès à l'information dans un système.
La récente étude d'Eisert et de ses collègues s'appuie sur ces travaux antérieurs, tout en tirant parti d'une plate-forme expérimentale développée par Jörg Schmiedmayer. Cette plate-forme se compose essentiellement d'une architecture de puce d'atome qui offre un contrôle exceptionnel sur les atomes ultracold dans des paramètres continus.
« Notre intérêt s'est concentré sur la façon dont des concepts tels que la suppression d'informations et la production de chaleur peuvent se manifester dans ce régime quantique unique », a déclaré Eisert. « Cela nous a naturellement amenés au principe de Landauer, qui affirme que l'effacement des informations implique nécessairement la dissipation de la chaleur dans l'environnement – un lien fondamental entre la thermodynamique et l'information. »
Le principe de Landauer a été largement étudié dans le passé, il faut donc être vérifié dans un cadre expérimental. Au lieu de cela, les chercheurs ont voulu explorer davantage ses implications dans le contexte des systèmes quantiques à plusieurs corps, car cela pourrait enrichir à la fois la compréhension du principe et des systèmes étudiés.
« C'est précisément avec cette perspective – à la fois théorique et expérimentale – que nous avons décidé d'étudier », a expliqué Eisert. « Dans notre travail, nous suivons précisément l'évolution du temps d'un champ quantique soumis à une extinction de masse globale – d'une énorme théorie du champ quantique prototypique. Nous analysons les contributions thermodynamiques et théoriques de l'information à la production d'entropie générale à travers diverses partitions de système – environnement du système composite. »
Pour tester le principe de Landauer dans un système quantique complexe, Eisert et ses collègues ont utilisé un simulateur de champ quantique, un système qui peut être utilisé pour simuler le comportement guidé par la mécanique quantique des particules et des champs. Leur simulateur s'est appuyé sur des atomes de gaz Bose ultracold, qui sont connus pour se comporter comme des systèmes quantiques lorsqu'ils sont refroidis à des températures autour de zéro absolu. Les travaux expérimentaux de cette étude ont été réalisés dans un laboratoire de premier plan dirigé par Jörg Schmiedmayer à Tu Vienne.
Notamment, les résultats des simulations quantiques de l'équipe ont été alignés sur les prédictions enracinées dans la théorie des champs quantiques, un cadre qui décrit le comportement des particules et des champs basés sur les lois de la mécanique quantique. Pour expliquer leurs résultats, les chercheurs ont combiné les théories de la physique classique avec des corrections quantiques, utilisant ainsi un cadre quasiparticule semi-classique.
« Méthodologiquement, ceci est rendu par un schéma de reconstruction tomographique dynamique que nous avons co-développé, qui exploite sélectionnés des instances d'évolution du temps pour accéder et reconstruire des propriétés quantiques autrement incompatibles », a déclaré Eisert. «Notre étude nous aide d'abord à mieux comprendre comment le principe de Landauer se manifeste dans ce contexte théorique quantique, comme un aperçu fondamental de la nature.
« Plus technologiquement, cependant, cela nous aide à mieux comprendre cette plate-forme expérimentale pour la développer davantage vers un moteur thermodynamique agissant dans ou à proximité du régime mécanique quantique. »
Cette étude met en évidence le potentiel des simulateurs quantiques basés sur des atomes ultracold pour sonder les concepts enracinés dans la thermodynamique quantique. À l'avenir, il pourrait inspirer d'autres équipes de recherche à effectuer des expériences similaires, ce qui pourrait éventuellement éclairer le développement de nouveaux processeurs quantiques et d'autres technologies quantiques.
« Nous aimerions maintenant mieux explorer cette plate-forme, la développer en une machine thermique, voir l'intrication et les corrélations quantiques au travail », a ajouté Eisert. « C'est un terrain de jeu fascinant pour cela. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Lisa Lock, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
