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量子计算热力学新发现：麦克斯韦妖要复活？

爱尔兰都柏林圣三一大学（Trinity College Dublin）的科学家称，发现了擦除量子比特信息的独特的量子特性，对量子芯片的设计将有重要影响。研究者表示，看似被“兰道尔擦除”理论（Landauer’s erasure principle）解决的“麦克斯韦妖”（Maxwell’s demon）悖论，恐怕又要回到科学家的视野。

麦克斯韦妖概念图。

1961年当时在IBM工作的兰道尔（Rolf Landauer）发现，在经典计算机——即由0和1数位构成的计算机上，擦除一个数位的信息所释放的热量具有一个最低下限值。这个极限后来就被称为“兰道尔限值”，是信息技术与热力学之间重要的联系。

都柏林圣三一大学教授高尔德（John Goold）在这份研究中考虑了在量子计算世界，即当基本数位是0、1和既是0又是1的量子叠加态的情况下，擦除信息所带来的热力学效果。

这份近期发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的研究认为，擦除量子数位信息过程中的散热偏差很大，这与经典数位擦除的热力学规律不一致。

高尔德说：“实际上，计算机不是完美的系统，即使超过散热的理论下限也运作得很好。但是，了解这样的限值很重要，因为随着计算机各部分元件的小型化趋势，它们将越发接近下限值，这个问题对量子计算机来说也越发显得重要。令人惊叹的是，现代技术有条件研究越来越接近这个限值的擦除操作。

“我们考虑的问题是，量子计算机的特性会给擦除操作带来哪些不同?我们的研究得到了意料之外的答案：我们发现即使在理想化的擦除操作下，鉴于量子具有叠加态，会遇到散热值远高于兰道尔限值这样非常罕见的事件。”

“这份研究中我们通过数学计算证明，这些事件的确存在，是独特的量子特性。这很不寻常，对未来量子芯片的热量管理很重要。当然，还有很多工作要做。”

从“麦克斯韦妖”到“兰道尔擦除”

近25年前，兰道尔提出了“信息即是物理”的理论，把信息描述成是存储在物理介质上的物体，比如书籍、存储器，它们的变化也要通过物理的手段，包括电子、光学信号，并由物理设备进行处理。因此，他认为，信息也要遵循物理世界的定律，特别是热力学定律。

热力学第二定律是热力学四大基本定律之一，描述为封闭系统总是自发地向热力学平衡方向演化。通俗地说，就好比两种温度不同的气体注入一个密闭的环境，这个密闭室内混合气体的温度最终将达到均匀混合的状态。

可是1871年物理学家（James Clerk Maxwell）麦克斯韦提出一种思想实验，假想可以有一种怪物——麦克斯韦妖，把这样的密闭室分隔成相同的两部分，中间有一扇由它控制的“门”。容器中的空气分子做无规则热运动时会向门上撞击，而怪物控制门选择性地将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格的空气温度就会比另外一格高。这个假想让很多物理学家困惑，这意味着热力学第二定律将被打破。

一些研究者认为，麦克斯韦妖守门做功也要损耗能量，也不能违背热力学定律。既然信息也要遵循热定律，物理学家把信息系统的不同状态，比如最简单的0和1的状态，类比为热力学系统内两种不同能量状态进行了大量的研究。

其中兰道尔提出的信息擦除需要一个最小的能量是里程碑式的发展，他的理论解决了这一悖论——消除了麦克斯韦妖。这一理论是现在计算热力学的基础。

可是现在，这份新研究似乎把已经被驱除的麦克斯韦妖又“招”回来了。

高尔德说：“即使在2020年，麦克斯韦妖仍然对自然界的定律提出根本的质疑。”