图片来源：ustc.edu.cn
热力学第二定律（second law of thermodynamics）告诉我们：一个孤立系统的总混乱度，也就是熵 （entropy）在自然过程中是不可能减小的，因此第二类永动机无法制造出来。但是最近，来自美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）的一群研究人员从某种意义上实现了熵减小！这给量子计算机的加速开发和制造带来了新的可能，他们的成果于 9 月 6 日发表在 Nature 上。
撰文 向菲菲
编辑 徐文慧
“麦克斯韦妖”和熵增定律
如果我们想要将特定的能量转变成对我们有用的“功”，在能量转变成“功”的过程中总要消耗掉一部分能量，即这些能量无法 100% 的转变成有用功。这是物理界在 1850 年就提出来的热力学第二定律，也叫“熵增定律”。
而在 1867 年，为了说明违反热力学第二定律的可能性，著名的数学家、物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了一个假想实验：
在一个充满气体的密闭容器中，加上中间的小门将容器分成体积相等的两半，这个小门只允许单个气体分子通过，小门的开闭由一个小妖控制。当容器中出现温度较高的气体分子时，小妖就会打开门，让较热的气体分子跑到门的另一边的腔体内。最终，门的一边是较冷的气体，而另一边是较热的气体，那么两个腔体间出现的温度差就能驱动热机做功了。
当然了，这个小妖并不真实存在，我们也无法用小妖做出的温差容器制成热泵。在物理学上，人们引入“熵”的概念来度量一个热力学系统中的无序程度。通过前面的例子，我们知道一个孤立系统的熵是永远增大的。
麦克斯韦妖假想实验
图片来源：wikiwand
科学家开始“作妖”
“但是此后，有研究工作显示，麦克斯韦小妖的工作其实并不违背热力学第二定律，并有许多人试图搭建合适的实验体系，让它们能像小妖一样，在不耗能的情况下让系统做熵减小的工作。”来自美国宾夕法尼亚州立大学的物理系教授 David Weiss 如是说。
成立了“作妖”小组， Weiss 和他的团队通过调节激光阱（laser trap）的极化，将随机填充在拥有 125 个网格阵列的 5×5×5 立方三维晶格中的超冷原子，通过移动晶格单元中的单个或者一组原子，可以实现将晶格中无序的原子，排列成如 5×5×2 或 4×4×3 的有序结构的晶格亚单元。
在 5×5×5 立方三维晶格中的原子被排列成有序阵列
图片来源：论文
“我们实验中所用的原子，几乎都被冷却到它们能被冷却的极限，实验体系中的熵可被定义为原子在晶格中的随机排列的构型。” Weiss 说，“有些系统中的原子并不处在超冷态，原子的热振动则会成为整个系统中熵增的主要来源。在这种体系里，被有序化的原子对熵增造成的影响微乎其微。但是在我们的实验体系里，我们发现将原子从无序变为有序后，能使系统的熵降低 2.4 倍。”
然而如果考虑到这个实验体系的外部世界，Weiss 说：“我们的实验其实在概念上与麦克斯韦妖实验类似。决定原子有序化的排列位置时会增加外部世界的熵，与此同时晶格阵列中原子的构型熵（configurational entropy）降到了 0，因为每个特殊的构型只有一种状态。再将保存的位置信息作为执行可逆操作的指南，这样系统就明显地进入低熵状态。”
Weiss 小组所用的体系与其他排列体系的不同之处在于，体系初始熵的主要来源是原子在晶格阵列中的构型无序性，他们认为降低整个体系熵的过程是原子的重排。
“麦克斯韦小妖每次只能一次操纵一个粒子，”Weiss 骄傲的说：“而我们的‘小妖’能获得整个位置信息，进而绘制出一个详细的蓝图，同时处理所有粒子。”
量子计算机的新曙光
麦克斯韦妖的假想实验，促使人们更加深刻的理解熵和信息间的关系。Weiss 和他的研究小组制造出的体系也有非常可观的应用前景。
量子计算机设想
图片来源：bw40.net
“我们正在尝试制造利用原子作为‘量子比特（qubit）’的量子计算机。”Weiss 说：“传统计算机利用晶体管将数据编码成 0 和 1 两种状态，并以字节的形式存储。而用中性原子制成的量子比特，通过量子力学现象可以进行数据编码，并能同时存在多种状态。将原子有组织的堆叠在三维网格阵列，这一方式能让我们将许多原子装进一个非常小的区域，使计算变得更为便捷和高效。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0458-7
参考资料：
https://news.psu.edu/story/534837/2018/09/05/research/could-demon-help-create-quantum-computer
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180905131829.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_demon
https://en.wikipedia.org/wiki/Entropy_(information_theory)
https://en.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell
https://en.wikipedia.org/wiki/Perpetual_motion
发表于 2018-9-9 23:08
收藏
分享