物理學家實現了麥克斯韋著名的思想實驗的一個版本來減少熵

物理學家實現了麥克斯韋著名的思想實驗的一個版本來減少熵

在一個由超冷、激光捕獲的原子組成的三維晶格中，降低熵有助於加速量子計算機的發展。賓夕法尼亞州立大學(Penn State)的一組研究人員可以將隨機分布的原子陣列重新排列成整齊排列的原子塊，從而執行「麥克斯韋妖」(Maxwell』s demon)的功能——這是19世紀70年代的一個思想實驗，它挑戰了熱力學第二定律。有組織的原子塊可以構成量子計算機的基礎，量子計算機使用非帶電原子對數據進行編碼並進行計算。一篇關於這項研究的論文發表在2018年9月6日的《自然》雜誌上。

「傳統的計算機使用晶體管將數據編碼為可以處於兩種狀態之一的比特——零或一種，」賓夕法尼亞州立大學(Penn State)物理學教授、該研究團隊的負責人戴維·韋斯(David Weiss)說。「我們正在設計將原子作為『量子位』或『量子位』使用的量子計算機，它可以根據量子力學現象對數據進行編碼，使它們能夠同時處於多種狀態。」將原子組織成一個密集的3D網格，可以讓我們把很多原子放入一個小區域，讓計算變得更簡單、更高效。

熱力學第二定律指出，熵——有時被認為是無序的——不會隨著時間的推移而減少。這項法律的後果之一是它排除了永動機的可能性。1870年前後，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)提出了一個思想實驗，在這個實驗中，一個惡魔可以打開或關閉兩個氣體腔之間的一個門，讓溫度較高的原子朝一個方向通過，而溫度較低的原子從另一個方向通過。這種不需要輸入能量的分選，會導致系統的熵減小，兩個腔體之間的溫差可以作為熱泵做功，從而違反第二定律。

韋斯說:「後來的研究表明，惡魔並沒有違反第二定律，隨後，人們嘗試了很多方法來設計出像惡魔一樣的實驗系統。」「在非常小的規模上已經取得了一些成功，但是我們已經創造了一個系統，在這個系統中我們可以操縱大量的原子，以一種減少系統熵的方式來組織它們，就像惡魔一樣。」

研究人員使用激光捕捉並冷卻三維晶格中的原子，其中125個位置排列成5×5×5的立方體。然後他們隨機地用原子填充晶格中大約一半的位置。通過調整激光捕集器的偏振，研究人員可以單獨或分組移動原子，重新組織隨機分布的原子，使其充分填充晶格的5×5×2或4×4×3子集。

「因為原子被冷卻到儘可能低的溫度，系統的熵幾乎完全由晶格內原子的隨機構型決定，」Weiss說。在原子不是超冷的系統中，原子的振動構成了系統的大部分熵。在這樣一個系統中，組織原子對改變熵幾乎沒有什麼作用，但在我們的實驗中，我們表明組織原子會使系統內的熵降低大約2.4倍。

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