本月初，賓夕法尼亞州立大學(xué)的物理學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)布了一個(gè)與 19 世紀(jì)著名思想實(shí)驗(yàn)相同功能的量子系統(tǒng)，能夠在一系列隨機(jī)分布的原子中創(chuàng)造秩序。這種高度有序的原子塊有望用作量子計(jì)算機(jī)中的量子門。

圖 | 賓西法尼亞州立大學(xué)的科學(xué)家將隨機(jī)原子陣列重新排列成有序的原子塊，這種結(jié)構(gòu)有著 19 世紀(jì)的偉大科學(xué)家麥克斯韋的麥克斯韋妖思想實(shí)驗(yàn)相同的功能。（來源：Weiss Laboratory）

熱力學(xué)第二定律認(rèn)為熵（反應(yīng)無序程度的物理量）總是在一個(gè)封閉系統(tǒng)中增加，該定律是物理學(xué)中最毋庸置疑的定律之一。亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）有一句名言性：“如果發(fā)現(xiàn)你的理論違背了熱力學(xué)第二定律……那么除了受到最深刻的羞辱之外，你不會(huì)顛覆任何理論?！?/p>

有“妖怪”的思想實(shí)驗(yàn)

大約在 1870 年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）（沒錯(cuò)，就是你們大學(xué)物理里的著名方程組之父）設(shè)計(jì)了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來質(zhì)疑熱力學(xué)第二定律。他設(shè)想了一個(gè)微小的能夠在一個(gè)充滿無序氣體分子的密閉容器中制造有序的小妖怪。這個(gè)密閉容器被擋板隔開，擋板上有個(gè)一次只能允許一個(gè)分子通過的小孔，小妖怪有選擇性的開關(guān)小孔控制不同溫度氣體分子的流動(dòng)，最終兩個(gè)隔間溫度會(huì)變得不同，整個(gè)容器熵值減小。這個(gè)實(shí)驗(yàn)似乎違背了熱力學(xué)第二定律。

麥克斯韋假設(shè)小妖怪可以在擋板上隨意打開和關(guān)閉氣門。氣體分子通常是高度無序的（高熵），因?yàn)樗鼈兙哂写笾孪嗤钠骄俣群蜏囟龋虼苏w將接近平衡。所以沒有太多的能量可用于“做功”，在物理學(xué)中定義為力和位移的乘積（W = fd）。

因?yàn)闃?gòu)成分子的原子一直在運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移分子會(huì)有小的波動(dòng)。每當(dāng)小妖怪發(fā)現(xiàn)小孔附近右（冷）隔間的一個(gè)分子移動(dòng)得快了一點(diǎn)，它就會(huì)打開快門并讓這個(gè)分子通往左（熱）隔間。而對(duì)左隔間中任何緩慢移動(dòng)的氣體分子也是如此，允許它們進(jìn)入右隔間。因此左隔間中的分子變得越來越熱，而右隔間的分子變得越來越冷——這顯然是熵的減少過程。一旦有了溫差，這個(gè)小容器基本上就可以成為能對(duì)外做功的熱泵。

當(dāng)然，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來說，用速度或溫度來分類并分離出數(shù)十億的單個(gè)分子幾乎是不可能的——這有點(diǎn)像把一杯水扔到海里，然后還可以得到每個(gè)分子都完全一樣的一杯水。理論上這需要大量額外的能源。實(shí)驗(yàn)中麥克斯韋妖其實(shí)提供了額外的能量，所以這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)并不是一個(gè)真正封閉的系統(tǒng)，也沒有違反熱力學(xué)第二定律。

近年來，物理學(xué)家們提出了一些非常聰明的實(shí)驗(yàn)方案來將某些“小妖怪”帶到實(shí)驗(yàn)室。例如，蘇格蘭科學(xué)家在 2007 年設(shè)計(jì)了一個(gè)“信息棘輪”，可以在化學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生溫差，如果沒有這些棘輪系統(tǒng)會(huì)處于熱平衡狀態(tài)。一年后，俄勒岡大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，使用激光創(chuàng)造出一個(gè)盒子，另外兩束激光分別作為擋板小孔和 工作“小妖怪”。

日本物理學(xué)家根據(jù) Szilard 引擎的概念在 2010 年的《自然》雜志上中介紹了如何將納米級(jí)別的柱子引導(dǎo)到一個(gè)螺旋樓梯上的方法。而到了 2013 年，德國科學(xué)家用一對(duì)相互作用的量子點(diǎn)（只有幾納米寬的微小半導(dǎo)體）構(gòu)建了麥克斯韋妖實(shí)驗(yàn)的等效實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)室的“小妖怪”

“一直以來都有很多設(shè)計(jì)像“小妖怪”一樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的嘗試方案，”David Weiss，他是該研究組的領(lǐng)導(dǎo)者和論文的并列作者?！霸诜浅Ｐ〉某叨壬弦呀?jīng)取得了一些進(jìn)展，但是我們創(chuàng)造了一個(gè)可以操縱大量原子的系統(tǒng)，并可以用一種減少系統(tǒng)熵的方式來操控它們，就像小妖怪一樣。”

他的團(tuán)隊(duì)使用三對(duì)激光束將中性（不帶電的）銫原子捕獲到具有 125 個(gè)位置（5×5×5 立方體）的 3D 晶格中并冷卻到超低溫（高于絕對(duì)零度幾度）。用位置隨機(jī)的原子填充了一半的晶格，然后通過改變激光阱的極化（等效于麥克斯韋妖的功能）來移動(dòng)原子，與麥克斯韋妖不同的一點(diǎn)是該實(shí)驗(yàn)對(duì)原子的位置而不是速度排序。通過這種方式，他們能夠在原始無序晶格中創(chuàng)建有序的 5×5×2 或 4×4×3 子集，從而降低系統(tǒng)的熵。

根據(jù) Weiss 的說法，該實(shí)驗(yàn)的決定因素是極低溫，因?yàn)樵谶@種溫度下，“系統(tǒng)的熵幾乎完全是由晶格中的原子的隨機(jī)位置決定的。”如果原子不是超冷的，重新排列它們對(duì)系統(tǒng)的整體熵沒有什么影響。該小組的科學(xué)家們能夠?qū)?shí)驗(yàn)中的熵減少大約 2.4 倍。

這項(xiàng)工作為量子比特的構(gòu)建提供了一個(gè)很有前景的選擇。使用中性原子進(jìn)行量子計(jì)算也是一項(xiàng)有挑戰(zhàn)的工作，因?yàn)槿狈﹄姾梢馕吨茈y使這些原子充分相互作用達(dá)到糾纏態(tài)。通常人們通過量子“非門”實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)一個(gè)量子比特影響另一個(gè)量子比特的糾纏態(tài)。

但是這種方法有很高的錯(cuò)誤率。而 Weiss 小組的工作的意思在于，他們減少了一個(gè)原子阱中的熵，從而可以用更少的錯(cuò)誤創(chuàng)造出更好的量子門。