Penn State Üniversitesi araştırmacıları, Nature dergisinde yayımlanan bir makalede özetledikleri son çalışmalarında, rastgele dağılmış bir dizi atomu, düzgünce organize edilmiş bloklar hâlinde yeniden düzenleyebildiklerini ve böylece Maxwell'in cininin (1867'de Maxwell tarafından ortaya atılan ve termodinamiğin ikinci yasasına meydan okuyan bir düşünce deneyindeki varsayımsal varlık) görevini yerine getirebildiklerini belirtiyor. Kuantum bilgisayarların üretilmesine giden yolda, süper-soğutulmuş ve lazerle tuzaklanmış atomlardan oluşan böyle bir üç boyutlu örgüde azaltılmış entropi ilerlemeyi hızlandırabilir. Düzenlenmiş atom blokları, veri kodlamak ve hesaplama yapmak için yüksüz atomları kullanan bir kuantum bilgisayarın temelini oluşturabilir.

"Geleneksel bilgisayarlar transistör kullanarak, veriyi sıfır ya da bir gibi iki durumdan birinde olabilen bitler hâlinde kodlar. Biz atomları "kuantum bitler" yani "kubitler" olarak kullanan kuantum bilgisayarlar geliştiriyoruz; bunlar kuantum mekaniksel görüngülere dayalı olarak veri kodlayabilir ve aynı anda birden fazla durumda bulunabilirler. Atomları 3-D bir ızgara şeklinde düzenlemek, çok sayıda atomu küçük bir alana sığdırabilmemizi sağlıyor; bu da hesaplamayı daha kolay ve daha verimli yapıyor," diye anlatıyor ekip lideri David Weiss.

Termodinamiğin ikinci yasası, bir sistemin entropisinin zamanla azalamayacağını belirtir. Bu yasanın sonuçlarından biri, devridaim makinesi yapımını olanaksızlaştırmasıdır. 1867 yılında, James Clerk Maxwell şöyle bir düşünce deneyi önerdi: İçleri gazla dolu ve birbirlerine bitişik olan iki odacığın arasında bir kapı olsun. Bir cin bu kapıyı açıp kapatabiliyor olsun ve böylelikle daha sıcak atomların bir yana, daha soğukların diğer yana geçişini sağlayabilsin. Herhangi bir enerji girdisi gerektirmeyen bu düzenleme, sistem entropisinde bir düşüşe yol açacaktır ve iki odacık arasındaki sıcaklık farkını iş yapmak için bir ısı pompası olarak kullanma olanağı doğacaktır. Bu da ikinci yasayı çiğner.

"Daha sonra yapılan çalışmalar, cinin aslında ikinci yasayı çiğnemediğini gösterdi ve bunun ardından da söz konusu cin gibi davranan deneysel sistemler yapabilmek için çok sayıda girişim oldu. Çok küçük ölçeklerde bazı başarılar elde edildi ama biz, cinin yaptığı gibi sistem entropisini düşürmek için çok sayıda atomu düzenleyerek manipüle edebileceğimiz bir sistem ürettik," diyor Weiss.

Araştırmacılar, 5x5x5 şeklinde düzenlenen 125 konumlu bir küp biçimindeki üç boyutlu örgüde atomları tuzaklayıp soğutmak için lazer kullandı. Ardından lazer tuzakların polarizasyonunu ayarlayarak, atomları tek tek veya grup hâlinde hareket ettirebildiler ve böylelikle rastgele dağılmış atomları yeniden düzenleyerek, örgünün ya 5x5x2 ya da 4x4x3 altkümelerini doldurdular.

"Atomlar neredeyse olanaklı en düşük sıcaklığa kadar soğutuldukları için sistemin entropisi neredeyse bütünüyle örgüdeki atomların rastgele konfigürasyonuyla tanımlanır. Atomların süper-soğuk olmadığı sistemlerde, atomların titreşimleri sistemin entropisinin büyük bölümünü oluşturur. Öyle bir sistemde atomları organize etmenin entropi değişimi açısından pek etkisi olmaz ama bizim deneyimizde gördük ki, atomları düzenlemek sistem entropisini yaklaşık 2,4 faktörü kadar düşürüyor," diye açıklıyor Weiss.