[论文解读] An omniscient Maxwell's demon

Aishwarya Kumar, Tsung-Yao Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 46

一句话总结

作者在一个 5×5×5 Cs 光晶格中通过实时态翻转和态相关运动将原子排序到一个子晶格，实现高填充和降低熵，类似于 Maxwell’s demon。

ABSTRACT

We demonstrate highly filled 3D arrays of neutral atoms by moving individual atoms in a 3D optical lattice. Starting from a randomly half-filled 5x5x5 optical lattice of Cesium atoms, a sorting algorithm calculates and implements a sequence of high fidelity targeted state flips and state dependent motion steps to fill a sub-lattice in real time. We achieve a filling fraction of ~97% and a perfect filling rate of 30%. With 89% of the atoms cooled to the 3D vibrational ground state, the sorting procedure reduces the configurational entropy by a factor of 8 and the total system entropy by a factor of 2.44. The sorting process is analogous to a Maxwell's demon.

研究动机与目标

• 通过实时重新定位原子，展示对 3D 光晶格的高保真填充。
• 量化通过定向态操作在填充分数和熵方面的改进。
• 证明该过程在有效降低构型熵和系统总熵方面的作用。
• 分析冷却态分布，包括振动基态占有率。

提出的方法

• 准备一个随机半填充的 5×5×5 Cs 晶格。
• 计算并应用一系列高保真定向态翻转和态相关运动。
• 基于排序算法结果在实时中填充一个子晶格。
• 测量填充分量和振动基态冷却百分比。
• 评估熵降低因子（构型熵和总熵）。
• 在信息到熵的语境中将其类比为 Maxwell's demon。

实验结果

研究问题

• RQ1 实时排序算法是否能将随机的 3D 晶格占据转换为高保真度的高度有序子晶格？
• RQ2 在使用定向操作的情况下，3D 光晶格中可实现的填充分数和态相干性（基态冷却）是多少？
• RQ3 通过逐原子排序，在中性原子阵列中可以将构型熵和总熵降低到多少？
• RQ4 该过程在信息到熵的转化方面在多大程度上类似于 Maxwell's demon？

主要发现

• 在目标子晶格中实现的填充分数大约为 97%。
• 子晶格的完美填充率为 30%。
• 89% 的原子冷却至 3D 振动基态。
• 排序使构型熵降低了约 8 倍。
• 排序使系统总熵降低了约 2.44 倍。