I NUOVI ESPERIMENTI DELLA TERMODINAMICA....Post n°1527 pubblicato il 02 Gennaio 2018 da blogtecaolivellifonte dell'articolo: InternetNuovi esperimenti stanno verificando i limitidella termodinamica nel mondo quantistico,dove le leggi classiche, anche se non pos-sono essere infrante, devono essere modificateper rendere conto dei fenomeni che si verificanoin questo diverso dominio. Da questo nuovoambito di ricerca, la termodinamica quantistica,potrebbero emergere risultati in grado di darenuovo impulso allo sviluppo tecnologicodi ZeeyaMerali/NatureL'eterna battaglia tra termodinamicae meccanica quantisticaLe "altre" leggi dell'entropianel mondo microscopicoLa strana termodinamicadel mondo dei quantiUn fisico dovrebbe aver perso la ragione per tentaredi violare le leggi della termodinamica. Eppure è possibilemodificarle. In un laboratorio all'Università di Oxford,in Gran Bretagna, un gruppo di fisici quantistici stacercando di farlo con un piccolo campione di diamantesintetico.All'inizio, il diamante è appena visibile, posto all'internodi una caotico groviglio di fibre ottiche e specchi. Maquando si accende un laser verde, i difetti del diamantesono illuminati e il cristallo inizia a brillare. In quella luce,i ricercatori hanno trovato le prove preliminari di uneffetto teorizzato solo pochi anni fa: un boost quantisticoche amplificherebbe la potenza del segnale in uscitadal diamante oltre il limite posto dalla termodinamicaclassica.Se i risultati fossero confermati, sarebbe una veramanna per la termodinamica quantistica, un campodi studi relativamente nuovo che mira a scoprire leleggi che regolano i flussi di calore ed energia su scalaatomica.La nuova termodinamica: come la fisica quantisticasta cambiando le regoleL'apparato sperimentale del gruppo di Oxford(Jonas Becker)C'è ragione di sospettare che nel dominio quantisticole leggi della termodinamica, basate sul comportamentodi un gran numero di particelle, siano diverse. Negliultimi cinque anni, intorno a questa idea è cresciutauna comunità quanto-termodinamica. Quello che unavolta era il dominio di una manciata di teorici, ora includealcune centinaia di fisici teorici e sperimentali in tuttoil mondo. "Questo ambito sta progredendo così in frettache riesco a malapena a stare al passo", dice RonnieKosloff, della Hebrew University di Gerusalemme, unpioniere di questi studi.Alcuni dei fisici che si occupano termodinamica quantisticasperano di scoprire un comportamento al di fuoridell'ambito della termodinamica convenzionale che possaessere applicato a scopi pratici, tra cui il miglioramentodelle tecniche di refrigerazione usate nei laboratori,la realizzazione di batterie con prestazioni migliorate eil raffinamento della tecnologia per il calcolo quantistico.Ma questo campo di studi è ancora agli inizi. Esperimenticome quello di Oxford hanno appena cominciato amettere alla prova le previsioni teoriche. E i fisici chenon ne fanno parte stanno osservando attentamentetali prove per capire se mostrano la possibilità diapplicazioni utili previste dai teorici. "La termodinamicaquantistica è evidentemente un tema 'caldo', se miperdonate il gioco di parole", afferma Ronald Walsworth,dell'Università di Harvard, che è specializzato nellosviluppo di strumenti di precisione a scala atomica."Ma per chi guarda dall'esterno, la domanda è se puòdavvero dare un impulso allo sviluppo delle tecnologie".Infrangere la leggeLe leggi della termodinamica classica sono statesviluppate nel XIX secolo. Sono il frutto dello sforzodi comprendere i motori a vapore e altri sistemi macroscopici.In natura, le quantità termodinamiche come temperaturae calore sono statistiche e sono definite in riferimentoal movimento medio di grandi insiemi di particelle. Manegli anni ottanta, Kosloff iniziò a chiedersi se questomodello avesse ancora senso per sistemi molto piùpiccoli. All'epoca, non era una linea di ricerca popolare,spiega, perché le domande che poneva erano in granparte astratte, con poche speranze di una connessionecon gli esperimenti. "Il campo si è sviluppato moltolentamente", dice. "Sono rimasto da solo per anni".Le cose cambiarono drasticamente circa un decenniofa, quando le questioni sui limiti della miniaturizzazionetecnologica diventarono più pressanti e le tecnichesperimentali progredirono. Si fece una quantità enormedi tentativi di calcolare in che modo si potesserocombinare la teoria termodinamica e la teoria quantistica.Ma le proposte che emersero crearono più confusioneche chiarezza, dice Kosloff.Alcuni sostenevano che i dispositivi quantistici avrebberopotuto violare impunemente i vincoli termodinamici classicie agire così come macchine a moto perpetuo, in gradodi compiere un lavoro senza bisogno di alcun inputenergetico. Altri, suggerendo che le leggi della termodinamicadovessero valere senza modifiche a scale molto piccole,erano altrettanto perplessi. "In un certo senso, puoiusare le stesse equazioni per analizzare le prestazioni diun motore a singolo atomo e del motore della tua auto",dice Kosloff. "Ma anche questo è sorprendente: sicuramentequando si va sempre più nel mondo microscopico si arrivaa un limite quantistico". Nella termodinamica classica, unasingola particella non ha una temperatura. Così via viache il sistema che produce lavoro e il suo ambiente siavvicinano a quel limite, diventa sempre più assurdo immaginare che vengano rispettate le leggi termodinamichestandard, afferma Tobias Schaetz, fisico quantisticodell'Università di Friburgo.Inizialmente, la preponderanza di affermazioni e previsioniteoriche in conflitto ha minato la credibilità di questoambito di ricerca. "Sono stato molto critico sul settore,perché c'è tanta teoria e non abbastanza esperimenti",dice Peter Hänggi, fisico quantistico dell'Universitàtedesca di Augsburg. Ma la comunità sta iniziando aconcentrarsi sulle domande fondamentali, nel tentativodi aprirsi un varco nel caos. Un obiettivo è stato quellodi utilizzare gli esperimenti per scoprire il punto in cui leleggi classiche della termodinamica non prevedonopiù perfettamente il comportamento termico deisistemi quantistici.La nuova termodinamica: come la fisica quantisticasta cambiando le regoleJames Clerk Maxwell (1831-1879) padre fondatoredella moderna teoria dell'elettromagnetismo. Il suoesperimento mentale del "diavoletto" pone un'importantequestione termodinamica che è stata risolta solo direcente (Wikimedia Commons)Gli esperimenti stanno cominciando a individuare ilconfine tra mondo classico e mondo quantistico.Lo scorso anno, per esempio, Schaetz e i suoi colleghihanno dimostrato che, in determinate condizioni,stringhe di cinque o meno ioni di magnesio in uncristallo non superano quel limite, ma rimangonoin equilibrio termico con il loro ambiente, così comefanno i sistemi più grandi.Nel loro test, ogni ione era inizialmente in uno statoad alta energia e il suo spin oscillava tra due staticorrispondenti alla direzione del suo magnetismo: "su"e "giù". La termodinamica standard prevede che talioscillazioni di spin dovrebbero diminuire quando gli ionisi raffreddano interagendo con gli altri atomi nel cristalloattorno a loro, proprio come il caffè caldo si raffreddaquando le sue molecole si scontrano con le molecoledell'aria circostante più fredda.Tali collisioni trasferiscono energia dalle molecole dicaffè alle molecole d'aria. Un meccanismo di raffreddamentosimile entra in gioco nel cristallo, dove le vibrazioniquantizzate del reticolo, chiamate fononi, estraggonocalore dagli spin oscillanti. Schaetz e i suoi colleghi hannoscoperto che i loro piccoli sistemi a ioni smettevano dioscillare, il che indicava che si erano raffreddati. Ma dopoalcuni millisecondi, gli ioni hanno ricominciato a oscillarevigorosamente. Questa ripresa di attività ha un'originequantistica, dice Schaetz. Piuttosto che dissiparsicompletamente, i fononi rimbalzavano sui bordi del cristalloe tornavano indietro, in fase, verso i loro ioni di origine,ripristinando le oscillazioni di spin originali.Schaetz dice che il suo esperimento è un segnaleper gli ingegneri che stanno tentando di ridurre ledimensioni dell'elettronica attuale. "Puoi avere uncavo che ha un diametro di soli 10 o 15 atomi epensare che abbia estratto calore dal chip, mapoi improvvisamente si verifica questo fenomenoquantistico", spiega Schaetz. "È molto inquietante".I fononi di rimbalzo potrebbero creare problemi inalcune applicazioni, ma altri fenomeni quantisticipotrebbero rivelarsi utili. Gli sforzi per identificaretali fenomeni erano stati bloccati dalla difficoltà didefinire grandezze fondamentali, come il calore ela temperatura, nei sistemi quantistici. Ma la soluzionedi un famoso esperimento mentale, elaborato 150anni fa dal fisico scozzese James Clerk Maxwell,ha fornito un indizio su che direzione prendere,definendo un interessante legame tra informazioneed energia.Maxwell immaginò un'entità in grado di sceglieretra molecole lente e molecole veloci, creando unadifferenza di temperatura tra due camere semplicementeaprendo e chiudendo una porta tra di esse. Questo"diavoletto", come è stato chiamato, genera quindiuna camera calda e una camera fredda che possonoessere sfruttate per produrre energia utile. Il problemaè che, scegliendo le particelle in questo modo, il diavolettoriduce l'entropia del sistema, una misura del disordinedelle disposizioni delle particelle, senza aver fatto alcunlavoro sulle particelle stesse. Questo sembra violare laseconda legge della termodinamica.Ma i fisici finalmente hanno capito che il diavoletto avrebbepagato un "prezzo termodinamico" per elaborare leinformazioni sulle velocità delle molecole. Avrebbedovuto memorizzare, cancellare e rimemorizzare quelleinformazioni nel suo cervello. Quel processo consumaenergia e crea un aumento complessivo dell'entropia.Una volta si pensava che l'informazione fosse immateriale,"ma il diavoletto di Maxwell dimostra che essa puòavere conseguenze fisiche oggettive", afferma il fisicoquantistico Arnau Riera, dell'Istituto di Scienze Fotonichedi Barcellona.Trovare il limiteIspirandosi all'idea che l'informazione sia una quantitàfisica e che sia strettamente legata alla termodinamica,i ricercatori hanno tentato di ricostruire le leggi dellatermodinamica in modo che lavorino nel regime quantistico.Le macchine a moto perpetuo possono essere impossibili.Ma inizialmente si sperava che i limiti prescritti dallatermodinamica quantistica potessero essere meno stringentidi quelli che valgono nel dominio classico. "Questo è stato ilfilo di pensiero che abbiamo mutuato dal calcolo quantistico:gli effetti quantistici consentono di superare i limiti classici",afferma Raam Uzdin, fisico quantistico del Technion-IsraelInstitute of Technology di Haifa.Purtroppo non è così, dice Uzdin. Analisi recenti indicanoche le versioni quantistiche della seconda legge, chegoverna l'efficienza, e della terza legge, che vieta ai sistemidi raggiungere lo zero assoluto di temperatura, mantengonovincoli simili, e in alcuni casi più stringenti, delle lorocontroparti classiche.Alcune differenze sono dovute al fatto che la quantitàtermodinamica macroscopica "energia libera", cioè l'energiache un sistema ha a disposizione per funzionare, non hauna sola controparte alle microscale, ma ne ha molte, diceJonathan Oppenheim, fisico quantistico dello UniversityCollege di Londra.Classicamente, l'energia libera viene calcolata postulandoche tutti gli stati del sistema, determinati dalla disposizionedelle particelle in corrispondenza di una certa energia, sianoaltrettanto probabili. Ma questa ipotesi non vale alle piccolescale, dice Oppenheim; alcuni stati potrebbero essere moltopiù probabili di altri. Per tenere conto di ciò, è necessariodefinire ulteriori energie libere per descrivere in modo accuratoil sistema e la sua evoluzione. Oppenheim e i suoi colleghiipotizzano che esistano diverse versioni della seconda leggeper ogni tipo di energia libera e che i dispositivi quantisticidebbano obbedire a tutte. "Dal momento che la seconda leggeti dice che cosa non è consentito fare, in qualche modo,sembra che avere più leggi alle microscale sia peggio",dice Oppenheim.La nuova termodinamica: come la fisica quantistica stacambiando le regoleLa seconda legge della termodinamica: afferma che l'entropiadi un sistema isolato (S) non può mai diminuire ma soloaumentare o al massimo rimanere costante(Science Photo Library/AGF)Gran parte del lavoro per calcolare le leggi equivalenti dellaseconda e della terza legge rimane, per ora, teorico.Ma i proponenti sostengono che possa aiutare a capire inche modo i limiti termodinamici siano fisicamente applicatialle piccole scale. Per esempio, un'analisi teorica condottada una coppia di fisici quantistici argentini ha mostrato chequando un frigorifero quantistico si avvicina allo zero assoluto,nelle vicinanze del dispositivo appaiono spontaneamentedei fotoni. "Ciò scarica energia nell'ambiente circostante,provocando un effetto di riscaldamento che contrasta ilraffreddamento e impedisce di raggiungere lo zero assoluto",spiega Nahuel Freitas della Ciudad University di BuenosAires, membro del gruppo.La teoria ha anche rivelato un potenziale spazio di manovra.Con un'analisi teorica che esaminava il flusso di informazionitra camere calde e fredde o "bagni" di particelle, un gruppodi Barcellona, che includeva Riera e il fisico quantisticoManabendra Nath Bera, ha scoperto uno strano scenario,in cui il bagno caldo sembrava diventare spontaneamenteancora più caldo, e il bagno freddo ancora più freddo."In un primo momento è sembrata una follia, come sesi potesse violare la termodinamica", dice Bera. Ma iricercatori hanno capito presto di aver trascuratol'entanglement quantistico: le particelle nei bagni possonodiventare entangled. In teoria, produrre e rompere questecorrelazioni offre un modo per immagazzinare e rilasciareenergia. Una volta che questa risorsa quantistica è statatenuta in conto, le leggi della termodinamica hannoripreso a valere.Alcuni gruppi indipendenti hanno proposto di usare questoentanglement per immagazzinare energia in una "batteriaquantistica" e un gruppo dell'Istituto Italiano di Tecnologiadi Genova sta tentando di confermare le previsioni delgruppo di Barcellona con batterie costituite da bitquantistici, o "qubit", superconduttori. In linea di principio,tali batterie quantistiche potrebbero caricarsi in modomolto più veloce dei loro corrispettivi classici. "Non saraiin grado di estrarre e conservare più energia di quantoconsentito dal limite classico", dice Riera. "Ma potrestiessere in grado di accelerare le cose".Alcuni ricercatori stanno cercando modi più semplici permanipolare qubit per le applicazioni di calcolo quantistico.Il fisico quantistico Nayeli Azucena Rodríguez Brionesdell'Università di Waterloo, in Canada, e i suoi colleghihanno definito un'operazione che potrebbe migliorareil raffreddamento necessario per le operazioni di calcoloquantistico manipolando coppie di livelli di energia deiqubit. Attualmente hanno in programma di verificarequesta idea in laboratorio usando qubit superconduttori.Una piccola scintilla
I NUOVI ESPERIMENTI DELLA TERMODINAMICA....
I NUOVI ESPERIMENTI DELLA TERMODINAMICA....Post n°1527 pubblicato il 02 Gennaio 2018 da blogtecaolivellifonte dell'articolo: InternetNuovi esperimenti stanno verificando i limitidella termodinamica nel mondo quantistico,dove le leggi classiche, anche se non pos-sono essere infrante, devono essere modificateper rendere conto dei fenomeni che si verificanoin questo diverso dominio. Da questo nuovoambito di ricerca, la termodinamica quantistica,potrebbero emergere risultati in grado di darenuovo impulso allo sviluppo tecnologicodi ZeeyaMerali/NatureL'eterna battaglia tra termodinamicae meccanica quantisticaLe "altre" leggi dell'entropianel mondo microscopicoLa strana termodinamicadel mondo dei quantiUn fisico dovrebbe aver perso la ragione per tentaredi violare le leggi della termodinamica. Eppure è possibilemodificarle. In un laboratorio all'Università di Oxford,in Gran Bretagna, un gruppo di fisici quantistici stacercando di farlo con un piccolo campione di diamantesintetico.All'inizio, il diamante è appena visibile, posto all'internodi una caotico groviglio di fibre ottiche e specchi. Maquando si accende un laser verde, i difetti del diamantesono illuminati e il cristallo inizia a brillare. In quella luce,i ricercatori hanno trovato le prove preliminari di uneffetto teorizzato solo pochi anni fa: un boost quantisticoche amplificherebbe la potenza del segnale in uscitadal diamante oltre il limite posto dalla termodinamicaclassica.Se i risultati fossero confermati, sarebbe una veramanna per la termodinamica quantistica, un campodi studi relativamente nuovo che mira a scoprire leleggi che regolano i flussi di calore ed energia su scalaatomica.La nuova termodinamica: come la fisica quantisticasta cambiando le regoleL'apparato sperimentale del gruppo di Oxford(Jonas Becker)C'è ragione di sospettare che nel dominio quantisticole leggi della termodinamica, basate sul comportamentodi un gran numero di particelle, siano diverse. Negliultimi cinque anni, intorno a questa idea è cresciutauna comunità quanto-termodinamica. Quello che unavolta era il dominio di una manciata di teorici, ora includealcune centinaia di fisici teorici e sperimentali in tuttoil mondo. "Questo ambito sta progredendo così in frettache riesco a malapena a stare al passo", dice RonnieKosloff, della Hebrew University di Gerusalemme, unpioniere di questi studi.Alcuni dei fisici che si occupano termodinamica quantisticasperano di scoprire un comportamento al di fuoridell'ambito della termodinamica convenzionale che possaessere applicato a scopi pratici, tra cui il miglioramentodelle tecniche di refrigerazione usate nei laboratori,la realizzazione di batterie con prestazioni migliorate eil raffinamento della tecnologia per il calcolo quantistico.Ma questo campo di studi è ancora agli inizi. Esperimenticome quello di Oxford hanno appena cominciato amettere alla prova le previsioni teoriche. E i fisici chenon ne fanno parte stanno osservando attentamentetali prove per capire se mostrano la possibilità diapplicazioni utili previste dai teorici. "La termodinamicaquantistica è evidentemente un tema 'caldo', se miperdonate il gioco di parole", afferma Ronald Walsworth,dell'Università di Harvard, che è specializzato nellosviluppo di strumenti di precisione a scala atomica."Ma per chi guarda dall'esterno, la domanda è se puòdavvero dare un impulso allo sviluppo delle tecnologie".Infrangere la leggeLe leggi della termodinamica classica sono statesviluppate nel XIX secolo. Sono il frutto dello sforzodi comprendere i motori a vapore e altri sistemi macroscopici.In natura, le quantità termodinamiche come temperaturae calore sono statistiche e sono definite in riferimentoal movimento medio di grandi insiemi di particelle. Manegli anni ottanta, Kosloff iniziò a chiedersi se questomodello avesse ancora senso per sistemi molto piùpiccoli. All'epoca, non era una linea di ricerca popolare,spiega, perché le domande che poneva erano in granparte astratte, con poche speranze di una connessionecon gli esperimenti. "Il campo si è sviluppato moltolentamente", dice. "Sono rimasto da solo per anni".Le cose cambiarono drasticamente circa un decenniofa, quando le questioni sui limiti della miniaturizzazionetecnologica diventarono più pressanti e le tecnichesperimentali progredirono. Si fece una quantità enormedi tentativi di calcolare in che modo si potesserocombinare la teoria termodinamica e la teoria quantistica.Ma le proposte che emersero crearono più confusioneche chiarezza, dice Kosloff.Alcuni sostenevano che i dispositivi quantistici avrebberopotuto violare impunemente i vincoli termodinamici classicie agire così come macchine a moto perpetuo, in gradodi compiere un lavoro senza bisogno di alcun inputenergetico. Altri, suggerendo che le leggi della termodinamicadovessero valere senza modifiche a scale molto piccole,erano altrettanto perplessi. "In un certo senso, puoiusare le stesse equazioni per analizzare le prestazioni diun motore a singolo atomo e del motore della tua auto",dice Kosloff. "Ma anche questo è sorprendente: sicuramentequando si va sempre più nel mondo microscopico si arrivaa un limite quantistico". Nella termodinamica classica, unasingola particella non ha una temperatura. Così via viache il sistema che produce lavoro e il suo ambiente siavvicinano a quel limite, diventa sempre più assurdo immaginare che vengano rispettate le leggi termodinamichestandard, afferma Tobias Schaetz, fisico quantisticodell'Università di Friburgo.Inizialmente, la preponderanza di affermazioni e previsioniteoriche in conflitto ha minato la credibilità di questoambito di ricerca. "Sono stato molto critico sul settore,perché c'è tanta teoria e non abbastanza esperimenti",dice Peter Hänggi, fisico quantistico dell'Universitàtedesca di Augsburg. Ma la comunità sta iniziando aconcentrarsi sulle domande fondamentali, nel tentativodi aprirsi un varco nel caos. Un obiettivo è stato quellodi utilizzare gli esperimenti per scoprire il punto in cui leleggi classiche della termodinamica non prevedonopiù perfettamente il comportamento termico deisistemi quantistici.La nuova termodinamica: come la fisica quantisticasta cambiando le regoleJames Clerk Maxwell (1831-1879) padre fondatoredella moderna teoria dell'elettromagnetismo. Il suoesperimento mentale del "diavoletto" pone un'importantequestione termodinamica che è stata risolta solo direcente (Wikimedia Commons)Gli esperimenti stanno cominciando a individuare ilconfine tra mondo classico e mondo quantistico.Lo scorso anno, per esempio, Schaetz e i suoi colleghihanno dimostrato che, in determinate condizioni,stringhe di cinque o meno ioni di magnesio in uncristallo non superano quel limite, ma rimangonoin equilibrio termico con il loro ambiente, così comefanno i sistemi più grandi.Nel loro test, ogni ione era inizialmente in uno statoad alta energia e il suo spin oscillava tra due staticorrispondenti alla direzione del suo magnetismo: "su"e "giù". La termodinamica standard prevede che talioscillazioni di spin dovrebbero diminuire quando gli ionisi raffreddano interagendo con gli altri atomi nel cristalloattorno a loro, proprio come il caffè caldo si raffreddaquando le sue molecole si scontrano con le molecoledell'aria circostante più fredda.Tali collisioni trasferiscono energia dalle molecole dicaffè alle molecole d'aria. Un meccanismo di raffreddamentosimile entra in gioco nel cristallo, dove le vibrazioniquantizzate del reticolo, chiamate fononi, estraggonocalore dagli spin oscillanti. Schaetz e i suoi colleghi hannoscoperto che i loro piccoli sistemi a ioni smettevano dioscillare, il che indicava che si erano raffreddati. Ma dopoalcuni millisecondi, gli ioni hanno ricominciato a oscillarevigorosamente. Questa ripresa di attività ha un'originequantistica, dice Schaetz. Piuttosto che dissiparsicompletamente, i fononi rimbalzavano sui bordi del cristalloe tornavano indietro, in fase, verso i loro ioni di origine,ripristinando le oscillazioni di spin originali.Schaetz dice che il suo esperimento è un segnaleper gli ingegneri che stanno tentando di ridurre ledimensioni dell'elettronica attuale. "Puoi avere uncavo che ha un diametro di soli 10 o 15 atomi epensare che abbia estratto calore dal chip, mapoi improvvisamente si verifica questo fenomenoquantistico", spiega Schaetz. "È molto inquietante".I fononi di rimbalzo potrebbero creare problemi inalcune applicazioni, ma altri fenomeni quantisticipotrebbero rivelarsi utili. Gli sforzi per identificaretali fenomeni erano stati bloccati dalla difficoltà didefinire grandezze fondamentali, come il calore ela temperatura, nei sistemi quantistici. Ma la soluzionedi un famoso esperimento mentale, elaborato 150anni fa dal fisico scozzese James Clerk Maxwell,ha fornito un indizio su che direzione prendere,definendo un interessante legame tra informazioneed energia.Maxwell immaginò un'entità in grado di sceglieretra molecole lente e molecole veloci, creando unadifferenza di temperatura tra due camere semplicementeaprendo e chiudendo una porta tra di esse. Questo"diavoletto", come è stato chiamato, genera quindiuna camera calda e una camera fredda che possonoessere sfruttate per produrre energia utile. Il problemaè che, scegliendo le particelle in questo modo, il diavolettoriduce l'entropia del sistema, una misura del disordinedelle disposizioni delle particelle, senza aver fatto alcunlavoro sulle particelle stesse. Questo sembra violare laseconda legge della termodinamica.Ma i fisici finalmente hanno capito che il diavoletto avrebbepagato un "prezzo termodinamico" per elaborare leinformazioni sulle velocità delle molecole. Avrebbedovuto memorizzare, cancellare e rimemorizzare quelleinformazioni nel suo cervello. Quel processo consumaenergia e crea un aumento complessivo dell'entropia.Una volta si pensava che l'informazione fosse immateriale,"ma il diavoletto di Maxwell dimostra che essa puòavere conseguenze fisiche oggettive", afferma il fisicoquantistico Arnau Riera, dell'Istituto di Scienze Fotonichedi Barcellona.Trovare il limiteIspirandosi all'idea che l'informazione sia una quantitàfisica e che sia strettamente legata alla termodinamica,i ricercatori hanno tentato di ricostruire le leggi dellatermodinamica in modo che lavorino nel regime quantistico.Le macchine a moto perpetuo possono essere impossibili.Ma inizialmente si sperava che i limiti prescritti dallatermodinamica quantistica potessero essere meno stringentidi quelli che valgono nel dominio classico. "Questo è stato ilfilo di pensiero che abbiamo mutuato dal calcolo quantistico:gli effetti quantistici consentono di superare i limiti classici",afferma Raam Uzdin, fisico quantistico del Technion-IsraelInstitute of Technology di Haifa.Purtroppo non è così, dice Uzdin. Analisi recenti indicanoche le versioni quantistiche della seconda legge, chegoverna l'efficienza, e della terza legge, che vieta ai sistemidi raggiungere lo zero assoluto di temperatura, mantengonovincoli simili, e in alcuni casi più stringenti, delle lorocontroparti classiche.Alcune differenze sono dovute al fatto che la quantitàtermodinamica macroscopica "energia libera", cioè l'energiache un sistema ha a disposizione per funzionare, non hauna sola controparte alle microscale, ma ne ha molte, diceJonathan Oppenheim, fisico quantistico dello UniversityCollege di Londra.Classicamente, l'energia libera viene calcolata postulandoche tutti gli stati del sistema, determinati dalla disposizionedelle particelle in corrispondenza di una certa energia, sianoaltrettanto probabili. Ma questa ipotesi non vale alle piccolescale, dice Oppenheim; alcuni stati potrebbero essere moltopiù probabili di altri. Per tenere conto di ciò, è necessariodefinire ulteriori energie libere per descrivere in modo accuratoil sistema e la sua evoluzione. Oppenheim e i suoi colleghiipotizzano che esistano diverse versioni della seconda leggeper ogni tipo di energia libera e che i dispositivi quantisticidebbano obbedire a tutte. "Dal momento che la seconda leggeti dice che cosa non è consentito fare, in qualche modo,sembra che avere più leggi alle microscale sia peggio",dice Oppenheim.La nuova termodinamica: come la fisica quantistica stacambiando le regoleLa seconda legge della termodinamica: afferma che l'entropiadi un sistema isolato (S) non può mai diminuire ma soloaumentare o al massimo rimanere costante(Science Photo Library/AGF)Gran parte del lavoro per calcolare le leggi equivalenti dellaseconda e della terza legge rimane, per ora, teorico.Ma i proponenti sostengono che possa aiutare a capire inche modo i limiti termodinamici siano fisicamente applicatialle piccole scale. Per esempio, un'analisi teorica condottada una coppia di fisici quantistici argentini ha mostrato chequando un frigorifero quantistico si avvicina allo zero assoluto,nelle vicinanze del dispositivo appaiono spontaneamentedei fotoni. "Ciò scarica energia nell'ambiente circostante,provocando un effetto di riscaldamento che contrasta ilraffreddamento e impedisce di raggiungere lo zero assoluto",spiega Nahuel Freitas della Ciudad University di BuenosAires, membro del gruppo.La teoria ha anche rivelato un potenziale spazio di manovra.Con un'analisi teorica che esaminava il flusso di informazionitra camere calde e fredde o "bagni" di particelle, un gruppodi Barcellona, che includeva Riera e il fisico quantisticoManabendra Nath Bera, ha scoperto uno strano scenario,in cui il bagno caldo sembrava diventare spontaneamenteancora più caldo, e il bagno freddo ancora più freddo."In un primo momento è sembrata una follia, come sesi potesse violare la termodinamica", dice Bera. Ma iricercatori hanno capito presto di aver trascuratol'entanglement quantistico: le particelle nei bagni possonodiventare entangled. In teoria, produrre e rompere questecorrelazioni offre un modo per immagazzinare e rilasciareenergia. Una volta che questa risorsa quantistica è statatenuta in conto, le leggi della termodinamica hannoripreso a valere.Alcuni gruppi indipendenti hanno proposto di usare questoentanglement per immagazzinare energia in una "batteriaquantistica" e un gruppo dell'Istituto Italiano di Tecnologiadi Genova sta tentando di confermare le previsioni delgruppo di Barcellona con batterie costituite da bitquantistici, o "qubit", superconduttori. In linea di principio,tali batterie quantistiche potrebbero caricarsi in modomolto più veloce dei loro corrispettivi classici. "Non saraiin grado di estrarre e conservare più energia di quantoconsentito dal limite classico", dice Riera. "Ma potrestiessere in grado di accelerare le cose".Alcuni ricercatori stanno cercando modi più semplici permanipolare qubit per le applicazioni di calcolo quantistico.Il fisico quantistico Nayeli Azucena Rodríguez Brionesdell'Università di Waterloo, in Canada, e i suoi colleghihanno definito un'operazione che potrebbe migliorareil raffreddamento necessario per le operazioni di calcoloquantistico manipolando coppie di livelli di energia deiqubit. Attualmente hanno in programma di verificarequesta idea in laboratorio usando qubit superconduttori.Una piccola scintilla