科學家讀取了麥克斯韋妖的記憶

一項先驅工作提供了麥克斯韋妖(又稱麥克斯韋精靈)內在運作機制的迷人觀點。這是物理學上一個著名的思維實驗。

一個包括埃塞克特大學Janet Anders博士在內的國際研究團隊利用超導體電路復生了這個精靈。

這一精靈首先由James Clerk Maxwell在1867年提出，是一個假想的存在，相比熱力學第二定律允許的量，能從熱力學系統中獲得更多可用能量。

credit: 煎蛋畫師Piccolo的兒子Wesley

關鍵的是，這一團隊不僅首次直接觀測到了獲得的能量，還跟蹤了存儲在精靈記憶中的信息。

這一研究已發表在國家科學院論文集上(PNAS)。

這個思維實驗最初是由歷史上最具影響力的科學家之一——數學物理學家James Clerk Maxwell在150多年前首先提出的。

他假設兩個相鄰箱子中的氣體粒子能夠被一個操縱微型門的精靈所篩選，使得高能粒子只朝著一個方向移動，低能粒子以相反方向移動。

由此，一個盒子就會得到更高的平均能量，產生壓差。這種非均衡情形能被用於獲取能量，類似於存儲在大壩後面的水被釋放時獲得的能量。

所以雖然氣體最初處於均衡態，但這個精靈能製造非均衡態並提取能量，迴避了熱力學第二定律。

來自埃塞克特大學的物理系的主導理論物理學家Anders博士補充道：「在1980年代，研究者發現這並非故事的全貌。關於粒子性質的信息仍存儲在精靈的記憶之中這些信息會引起能量消耗，這就將精靈的能量增益減少到零，解決了這一悖論。」

在這一研究中，團隊創造了一個量子麥克斯韋妖，具現為能從超導量子比特中獲取能量的微波腔。這一團隊完全建立了這一精靈介入後的記憶地圖，揭示了存儲的量子比特狀態信息。

Anders博士補充道：「這一系統按照量子機制動作這一事實意味著粒子可以同時具備高能和低能兩種狀態，而不是麥克斯韋考慮的其中一種。」

這一開創性實驗只是稍微展現了量子信息和熱力學之間的相互作用，是目前納米尺度熱力學過程理論發展的重要一步。

論文原文：DOI: 10.1073/pnas.1704827114

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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