不接電源或能源就可工作的量子冰箱？牛津大學(xué)提供死路

你有沒有想到過有一天用上量子冰箱，不接上任何電源或其它制冷能源就可以工作？聽起來很怪異吧，量子制冷總得像電冰箱之類一樣，接上電源或其它制冷能源才可以工作，怎么可以通過一種稱為不確定因果順序的疊加狀態(tài)就能制作量子冰箱呢？牛津大學(xué)的科學(xué)家們就這個(gè)問題提供了答案。

隨著最近10年來在量子計(jì)算和量子通信領(lǐng)域的發(fā)展，科學(xué)家們在探尋如何對不確定因果的順序進(jìn)行研究，比如，量子電路模型是否完整地描述了事件的每種可能的量子順序？研究人員最近對不確定因果順序，即其中不同事件的順序被量子疊加的研究，展示了如何在一種量子制冷系統(tǒng)中使用這種現(xiàn)象。

對這個(gè)問題的探討導(dǎo)致了研究通過去極化通道的狀態(tài)。量子去極化通道，英語：quantum depolarizing channel，是量子系統(tǒng)中的一種噪聲模型。在這樣的通道中，定義明確的初始狀態(tài)最終變成了完全隨機(jī)的狀態(tài)。

通過去極化通道不可能進(jìn)行有意義的信息傳遞，但是當(dāng)量子狀態(tài)以不確定的因果順序通過一個(gè)去極化通道后，事情就會(huì)發(fā)生變化。然后，通道的順序處于疊加狀態(tài)，并與處于不同狀態(tài)的疊加的控制量子位糾纏在一起。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)狀態(tài)以不確定的因果順序通過兩個(gè)去極化通道時(shí)，如果還可以測量控制量子位，則會(huì)傳輸一定量的信息。

研究人員解釋說：“熱化與去極化非常相似。除了給您一個(gè)完全隨機(jī)的狀態(tài)外，熱化還為您提供了一種大部分是隨機(jī)的狀態(tài)，并根據(jù)您的喜好而處于較高或較低溫度的能量狀態(tài)。 如果您以不確定的因果順序?qū)δ呈挛镞M(jìn)行兩次熱化，那么最終將不會(huì)達(dá)到您期望的溫度狀態(tài)。熱化產(chǎn)生的意外溫度結(jié)果將會(huì)在熱力學(xué)上有用。

如圖所示不確定因果順序，英語：indefinite causal order，簡稱：ICO，的量子冰箱的制冷循環(huán)的三個(gè)步驟。黑點(diǎn)表示工作系統(tǒng)，輪廓線的顏色表示與之交互的最后一個(gè)容器的溫度。步驟（i）中的虛線表示在針對控制系統(tǒng)的狀態(tài)測量 j + ic，即不期望的結(jié)果的情況下的操作。

量子制冷

牛津大學(xué)信息科學(xué)教授Vlatko Vedral及其同事分析了與消極通道相似的熱通道的表達(dá)式，并考慮了不確定因果順序的影響。他們發(fā)現(xiàn)，在稱為“怪異”的量子效應(yīng)中，有可能在兩個(gè)相同溫度下以不確定的因果順序使一個(gè)儲(chǔ)能器熱化一個(gè)量子態(tài)，并最終在另一個(gè)溫度下達(dá)到該狀態(tài)。研究人員提出了以此為第一步的制冷循環(huán)。接下來，有必要測量控制量子位以查明熱化量子態(tài)的溫度是否已經(jīng)升高。如果有的話，隨后經(jīng)典地用熱儲(chǔ)存器（步驟2）對相同狀態(tài)進(jìn)行加熱，則冷儲(chǔ)存器（步驟3）可以冷卻冷儲(chǔ)存器，因?yàn)閺臓顟B(tài)傳回冷儲(chǔ)存器的熱量將少于將冷庫恢復(fù)到第一步中的狀態(tài)。

乍一看，這似乎與熱力學(xué)定律不相符。傳統(tǒng)的冰箱之所以可以工作，是因?yàn)樗巡迦肓穗娫椿蚱渌茉矗敲?，是什么為不確定的因果級別的量子制冷提供了能量呢？研究人員解釋說，這可以用“麥克斯韋妖”符合熱力學(xué)定律的相同方式來描述。

“麥克斯韋妖”（Maxwell‘s demon），是在物理學(xué)中假想的妖，能探測并控制單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)，英國物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋為了說明違反熱力學(xué)第二定律的可能性而設(shè)想的。

麥克斯韋假設(shè)，一個(gè)絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由“妖”控制的一扇小“門”，通過打開和關(guān)閉這扇門，將冷粒子和熱粒子分類到盒子的單獨(dú)隔斷中，從而降低了系統(tǒng)的熵。根據(jù)熱力學(xué)定律，在沒有做功的情況下，熵應(yīng)始終增加。此后，科學(xué)家通過突出顯示“妖”正在測量粒子，并且存儲(chǔ)在其測得溫度上的信息將需要一定量的能量來擦除，即蘭道爾原理的能量擦除，從而解釋了與現(xiàn)實(shí)的不一致。

蘭道爾原理，英語：Landauer’s Principle，注意不要與朗道原理（Landau principle）混淆，是一種物理原理，它與計(jì)算能耗的理論下限有關(guān)。它認(rèn)為，“任何邏輯上不可逆的信息操縱，例如擦除位或兩個(gè)計(jì)算路徑的合并，都必須伴隨著信息處理設(shè)備的非信息承載自由度環(huán)境相應(yīng)的熵增加?！?/p>

研究指出，就像“麥克斯韋妖”一樣，在量子制冷機(jī)的每個(gè)循環(huán)中，有必要對控制量子位進(jìn)行測量以了解發(fā)生了什么順序的事情?！耙坏⑦@種本質(zhì)上隨機(jī)的信息存儲(chǔ)在諸如一個(gè)硬盤的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)中，如果想將此硬盤恢復(fù)到其初始狀態(tài)，則將需要能量來擦除硬盤?！?“因此，可以考慮將空的硬盤（而不是電力）送入制冷機(jī)運(yùn)行?！?/p>

接下來，研究人員計(jì)劃通過實(shí)現(xiàn)不確定因果順序的方法原理制作冰箱。到目前為止，不確定因果順序的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)已在極化狀態(tài)的疊加中使用了控制量子位。然后，取決于偏振的分束器將根據(jù)偏振在不同的方向上將光子通過電路發(fā)送，使得偏振態(tài)的疊加導(dǎo)致光子通過電路元件的順序的疊加，這樣的研究結(jié)果也將可能推廣到更多的儲(chǔ)藏層中。

該最新研究成果論文，題為：“具有不確定因果順序的量子制冷”，剛剛被《物理評論快報(bào)》期刊通過，即將正式發(fā)表。