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  • 违反热力学定律?对于量子热机中的麦克斯韦妖来说,少即是多

    在苏格兰著名科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦首次提出麦克斯韦妖概念150多年后,这个概念仍然困扰着物理学家和信息科学家。这是麦克斯韦在一次思维实验中幻想出的“恶魔”,麦克斯韦妖可以将快慢粒子分类到容器的不同侧面,这似乎违反了热力学第二定律。通过研究麦克斯韦妖的记忆,物理学家能够使麦克斯韦妖符合经典系统的统计力学定律。

    违反热力学定律?对于量子热机中的麦克斯韦妖来说,少即是多

    但当量子热机被提出后,情况再次变得有争议。热力学物理学家和信息理论家就可行的解释争论不休,物理模型的最新结果,可能会把不同的论点结合在一起。新加坡国立大学的博士生Stella Seah解释说:我们想展示信息科学和热力学之间的联系。Seah与Stefan Nimmrichter和Valerio Scarani一起在马克斯·普朗克光科学研究所和新加坡国立大学工作。

    量子争论

    通过用“较小的麦克斯韦妖”对一个物理系统进行建模,而这个“小麦克斯韦妖”对系统的访问是有限的。所以就能够显示出熵的增加来自哪里,以及熵是否会导致所谓的量子熵或真正功的产生。在量子系统中,测量可以改变系统的状态,这就是热力学第二定律的含义所在。如果测量与量子系统不兼容,即量子物理学家会将其描述为不可交换的哈密顿量,那么测量就会引入能量。

    违反热力学定律?对于量子热机中的麦克斯韦妖来说,少即是多

    这种能量的变化应该被描述为“做功”还是“量子熵”仍然是一个棘手的问题。有些人会争辩说:通过重复测量,热量就会消散,能量是被动的,不能被利用,而且在任何情况下,将测量视为只作用于系统的耗散通道都是错误的,忽略了测量仪器。虽然关于这个话题的争论,经常占据信息论和热力学抽象的抽象领域,但Seah、Nimmrichter和Scarani热衷于开发一种更务实的方法。他们考虑了一个量子比特与热库接触的系统,该系统可以将其提升到激发状态。

    两个麦克斯韦妖中较小的一个

    量子比特耦合到指针,该指针根据量子比特的内部状态宏观地移动位置。Seah建议把指针想象成弹簧,或者可能是量子阱中振荡的分子,在量子阱中最小能量的位置会根据量子位状态的不同而变化。这个系统与麦克斯韦妖通常遇到的场景的关键区别在于,麦克斯韦妖只能访问有关指针的信息。使用该模型,Seah,Nimmrichter和Scarani揭示,有了这个较小的麦克斯韦妖,系统可以实现测量反馈。

    违反热力学定律?对于量子热机中的麦克斯韦妖来说,少即是多

    如量子比特上的Rabi自旋翻转,这将被定义为有用的功,以及其他熵的增加,可以被描述为量子加热。这个模型似乎在一个已经进行了几十年的争论上取得了重大进展,但Seah说:对得出这个结果并不真的感到惊讶。吃惊的是,当发现如果使用宏观指针,会从微观指针得到不同的行为。使用第二个量子比特作为模型中的指针,产生了熟悉的奥托循环的热力学行为:

    违反热力学定律?对于量子热机中的麦克斯韦妖来说,少即是多

    (上图所示)限制麦克斯韦妖的能力,有助于调和围绕量子热机的一些争论。图片:Stella Seah et al

    即描述了工业革命中的一些第一批机械发动机是如何运行的。只有当指针的位置移动大大高于热波动时,测量才会以一种定义为已完成功的方式增加熵。此外,与经典热机不同,不需要做出不同的笔划。可以随机地进行测量,所有的事情都会持续、良好和顺利地发生。接下来,研究人员感兴趣的是:考虑特定状态(其中可能存在纠缠或假设)会发生什么,以及那里是否可能存在任何量子优势。

    违反热力学定律?对于量子热机中的麦克斯韦妖来说,少即是多

    博科园|Copyright Science X Network/Anna Demming/Phys

    参考期刊《arXiv》《物理评论快报》

    Cite: arXiv:1908.10102

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