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！

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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，这个概念依旧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。


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何方，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。


这种能量的变化应该被描述为“做功”还是“量子熵”依旧是一个棘手的问题。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。


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：


（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。


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参考期刊《arXiv》《物理评论快报》
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