一个与19世纪著名思想实验相同功能的量子系统

本月初，宾夕法尼亚州立大学的物理学家在《自然》杂志上发布了一个与 19 世纪著名思想实验相同功能的量子系统，能够在一系列随机分布的原子中创造秩序。这种高度有序的原子块有望用作量子计算机中的量子门。

图 | 宾西法尼亚州立大学的科学家将随机原子阵列重新排列成有序的原子块，这种结构有着 19 世纪的伟大科学家麦克斯韦的麦克斯韦妖思想实验相同的功能。（来源：Weiss Laboratory）

热力学第二定律认为熵（反应无序程度的物理量）总是在一个封闭系统中增加，该定律是物理学中最毋庸置疑的定律之一。亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）有一句名言性：“如果发现你的理论违背了热力学第二定律……那么除了受到最深刻的羞辱之外，你不会颠覆任何理论。”

有“妖怪”的思想实验

大约在 1870 年，麦克斯韦（James Clerk Maxwell）（没错，就是你们大学物理里的著名方程组之父）设计了一个思想实验来质疑热力学第二定律。他设想了一个微小的能够在一个充满无序气体分子的密闭容器中制造有序的小妖怪。这个密闭容器被挡板隔开，挡板上有个一次只能允许一个分子通过的小孔，小妖怪有选择性的开关小孔控制不同温度气体分子的流动，最终两个隔间温度会变得不同，整个容器熵值减小。这个实验似乎违背了热力学第二定律。

麦克斯韦假设小妖怪可以在挡板上随意打开和关闭气门。气体分子通常是高度无序的（高熵），因为它们具有大致相同的平均速度和温度，因此整体将接近平衡。所以没有太多的能量可用于“做功”，在物理学中定义为力和位移的乘积（W = fd）。

因为构成分子的原子一直在运动，随着时间的推移分子会有小的波动。每当小妖怪发现小孔附近右（冷）隔间的一个分子移动得快了一点，它就会打开快门并让这个分子通往左（热）隔间。而对左隔间中任何缓慢移动的气体分子也是如此，允许它们进入右隔间。因此左隔间中的分子变得越来越热，而右隔间的分子变得越来越冷——这显然是熵的减少过程。一旦有了温差，这个小容器基本上就可以成为能对外做功的热泵。

当然，从统计学上来说，用速度或温度来分类并分离出数十亿的单个分子几乎是不可能的——这有点像把一杯水扔到海里，然后还可以得到每个分子都完全一样的一杯水。理论上这需要大量额外的能源。实验中麦克斯韦妖其实提供了额外的能量，所以这个思想实验并不是一个真正封闭的系统，也没有违反热力学第二定律。

近年来，物理学家们提出了一些非常聪明的实验方案来将某些“小妖怪”带到实验室。例如，苏格兰科学家在 2007 年设计了一个“信息棘轮”，可以在化学系统中产生温差，如果没有这些棘轮系统会处于热平衡状态。一年后，俄勒冈大学的研究人员设计了一个巧妙的实验，使用激光创造出一个盒子，另外两束激光分别作为挡板小孔和 工作“小妖怪”。

日本物理学家根据 Szilard 引擎的概念在 2010 年的《自然》杂志上中介绍了如何将纳米级别的柱子引导到一个螺旋楼梯上的方法。而到了 2013 年，德国科学家用一对相互作用的量子点（只有几纳米宽的微小半导体）构建了麦克斯韦妖实验的等效实验。

实验室的“小妖怪”

“一直以来都有很多设计像“小妖怪”一样的实验系统的尝试方案，”David Weiss，他是该研究组的领导者和论文的并列作者。“在非常小的尺度上已经取得了一些进展，但是我们创造了一个可以操纵大量原子的系统，并可以用一种减少系统熵的方式来操控它们，就像小妖怪一样。”

他的团队使用三对激光束将中性（不带电的）铯原子捕获到具有 125 个位置（5×5×5 立方体）的 3D 晶格中并冷却到超低温（高于绝对零度几度）。用位置随机的原子填充了一半的晶格，然后通过改变激光阱的极化（等效于麦克斯韦妖的功能）来移动原子，与麦克斯韦妖不同的一点是该实验对原子的位置而不是速度排序。通过这种方式，他们能够在原始无序晶格中创建有序的 5×5×2 或 4×4×3 子集，从而降低系统的熵。

根据 Weiss 的说法，该实验的决定因素是极低温，因为在这种温度下，“系统的熵几乎完全是由晶格中的原子的随机位置决定的。”如果原子不是超冷的，重新排列它们对系统的整体熵没有什么影响。该小组的科学家们能够将实验中的熵减少大约 2.4 倍。

这项工作为量子比特的构建提供了一个很有前景的选择。使用中性原子进行量子计算也是一项有挑战的工作，因为缺乏电荷意味着很难使这些原子充分相互作用达到纠缠态。通常人们通过量子“非门”实现翻转一个量子比特影响另一个量子比特的纠缠态。

但是这种方法有很高的错误率。而 Weiss 小组的工作的意思在于，他们减少了一个原子阱中的熵，从而可以用更少的错误创造出更好的量子门。