違反熱力學定律？對於量子熱機中的麥克斯韋妖來說，少即是多！

2020-10-18 博科園

在蘇格蘭著名科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋首次提出麥克斯韋妖概念150多年後，這個概念仍然困擾著物理學家和信息科學家。這是麥克斯韋在一次思維實驗中幻想出的「惡魔」，麥克斯韋妖可以將快慢粒子分類到容器的不同側面，這似乎違反了熱力學第二定律。通過研究麥克斯韋妖的記憶，物理學家能夠使麥克斯韋妖符合經典系統的統計力學定律。

但當量子熱機被提出後，情況再次變得有爭議。熱力學物理學家和信息理論家就可行的解釋爭論不休，物理模型的最新結果，可能會把不同的論點結合在一起。新加坡國立大學的博士生Stella Seah解釋說：我們想展示信息科學和熱力學之間的聯繫。Seah與Stefan Nimmrichter和Valerio Scarani一起在馬克斯·普朗克光科學研究所和新加坡國立大學工作。

量子爭論

通過用「較小的麥克斯韋妖」對一個物理系統進行建模，而這個「小麥克斯韋妖」對系統的訪問是有限的。所以就能夠顯示出熵的增加來自哪裡，以及熵是否會導致所謂的量子熵或真正功的產生。在量子系統中，測量可以改變系統的狀態，這就是熱力學第二定律的含義所在。如果測量與量子系統不兼容，即量子物理學家會將其描述為不可交換的哈密頓量，那麼測量就會引入能量。

這種能量的變化應該被描述為「做功」還是「量子熵」仍然是一個棘手的問題。有些人會爭辯說：通過重複測量，熱量就會消散，能量是被動的，不能被利用，而且在任何情況下，將測量視為只作用於系統的耗散通道都是錯誤的，忽略了測量儀器。雖然關於這個話題的爭論，經常佔據資訊理論和熱力學抽象的抽象領域，但Seah、Nimmrichter和Scarani熱衷於開發一種更務實的方法。他們考慮了一個量子比特與熱庫接觸的系統，該系統可以將其提升到激發狀態。

兩個麥克斯韋妖中較小的一個

量子比特耦合到指針，該指針根據量子比特的內部狀態宏觀地移動位置。Seah建議把指針想像成彈簧，或者可能是量子阱中振蕩的分子，在量子阱中最小能量的位置會根據量子位狀態的不同而變化。這個系統與麥克斯韋妖通常遇到的場景的關鍵區別在於，麥克斯韋妖只能訪問有關指針的信息。使用該模型，Seah，Nimmrichter和Scarani揭示，有了這個較小的麥克斯韋妖，系統可以實現測量反饋。

如量子比特上的Rabi自旋翻轉，這將被定義為有用的功，以及其他熵的增加，可以被描述為量子加熱。這個模型似乎在一個已經進行了幾十年的爭論上取得了重大進展，但Seah說：對得出這個結果並不真的感到驚訝。吃驚的是，當發現如果使用宏觀指針，會從微觀指針得到不同的行為。使用第二個量子比特作為模型中的指針，產生了熟悉的奧託循環的熱力學行為：

  • （上圖所示）限制麥克斯韋妖的能力，有助於調和圍繞量子熱機的一些爭論。圖片：Stella Seah et al

即描述了工業革命中的一些第一批機械發動機是如何運行的。只有當指針的位置移動大大高於熱波動時，測量才會以一種定義為已完成功的方式增加熵。此外，與經典熱機不同，不需要做出不同的筆劃。可以隨機地進行測量，所有的事情都會持續、良好和順利地發生。接下來，研究人員感興趣的是：考慮特定狀態（其中可能存在糾纏或假設）會發生什麼，以及那裡是否可能存在任何量子優勢。

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參考期刊《arXiv》《物理評論快報》

Cite: arXiv:1908.10102

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