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量子計算熱力學新發現:麥克斯韋妖要復活?

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麥克斯韋妖概念圖。(維基百科)

愛爾蘭都柏林聖三一大學(Trinity College Dublin)的科學家稱,發現了擦除量子比特信息的獨特的量子特性,對量子晶片的設計將有重要影響。研究者表示,看似被「蘭道爾擦除」理論(Landauer’s erasure principle)解決的「麥克斯韋妖」(Maxwell’s demon)悖論,恐怕又要回到科學家的視野。

1961年當時在IBM工作的蘭道爾(Rolf Landauer)發現,在經典計算機——即由0和1數位構成的計算機上,擦除一個數位的信息所釋放的熱量具有一個最低下限值。這個極限後來就被稱為「蘭道爾限值」,是資訊技術與熱力學之間重要的聯繫。

都柏林聖三一大學教授高爾德(John Goold)在這份研究中考慮了在量子計算世界,即當基本數位是0、1和既是0又是1的量子疊加態的情況下,擦除信息所帶來的熱力學效果。

這份近期發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的研究認為,擦除量子數位信息過程中的散熱偏差很大,這與經典數位擦除的熱力學規律不一致。

高爾德說:「實際上,計算機不是完美的系統,即使超過散熱的理論下限也運作得很好。但是,了解這樣的限值很重要,因為隨著計算機各部分元件的小型化趨勢,它們將越發接近下限值,這個問題對量子計算機來說也越發顯得重要。令人驚嘆的是,現代技術有條件研究越來越接近這個限值的擦除操作。

「我們考慮的問題是,量子計算機的特性會給擦除操作帶來哪些不同?我們的研究得到了意料之外的答案:我們發現即使在理想化的擦除操作下,鑑於量子具有疊加態,會遇到散熱值遠高於蘭道爾限值這樣非常罕見的事件。」

「這份研究中我們通過數學計算證明,這些事件的確存在,是獨特的量子特性。這很不尋常,對未來量子晶片的熱量管理很重要。當然,還有很多工作要做。」

從「麥克斯韋妖」到「蘭道爾擦除」

近25年前,蘭道爾提出了「信息即是物理」的理論,把信息描述成是存儲在物理介質上的物體,比如書籍、記憶體,它們的變化也要通過物理的手段,包括電子、光學信號,並由物理設備進行處理。因此,他認為,信息也要遵循物理世界的定律,特別是熱力學定律。

熱力學第二定律是熱力學四大基本定律之一,描述為封閉系統總是自發地向熱力學平衡方向演化。通俗地說,就好比兩種溫度不同的氣體注入一個密閉的環境,這個密閉室內混合氣體的溫度最終將達到均勻混合的狀態。

可是1871年物理學家(James Clerk Maxwell)麥克斯韋提出一種思想實驗,假想可以有一種怪物——麥克斯韋妖,把這樣的密閉室分隔成相同的兩部分,中間有一扇由它控制的「門」。容器中的空氣分子做無規則熱運動時會向門上撞擊,而怪物控制門選擇性地將速度較快的分子放入一格,而較慢的分子放入另一格,這樣,其中的一格的空氣溫度就會比另外一格高。這個假想讓很多物理學家困惑,這意味著熱力學第二定律將被打破。

一些研究者認為,麥克斯韋妖守門做功也要損耗能量,也不能違背熱力學定律。既然信息也要遵循熱定律,物理學家把信息系統的不同狀態,比如最簡單的0和1的狀態,類比為熱力學系統內兩種不同能量狀態進行了大量的研究。

其中蘭道爾提出的信息擦除需要一個最小的能量是里程碑式的發展,他的理論解決了這一悖論——消除了麥克斯韋妖。這一理論是現在計算熱力學的基礎。

可是現在,這份新研究似乎把已經被驅除的麥克斯韋妖又「招」回來了。

高爾德說:「即使在2020年,麥克斯韋妖仍然對自然界的定律提出根本的質疑。」◇

責任編輯: 夏雨荷   來源:大紀元 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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