創造熵減全靠「作妖」？原子由無序變有序的實現

知識 09-09

熱力學第二定律（second law of thermodynamics）告訴我們：一個孤立系統的總混亂度，也就是熵（entropy）在自然過程中是不可能減小的，因此第二類永動機無法製造出來。但是最近，來自美國賓夕法尼亞州立大學（Pennsylvania State University）的一群研究人員從某種意義上實現了熵減小！這給量子計算機的加速開發和製造帶來了新的可能，他們的成果於 9 月 6 日發表在Nature上。

撰文向菲菲

編輯徐文慧

「麥克斯韋妖」和熵增定律

如果我們想要將特定的能量轉變成對我們有用的「功」，在能量轉變成「功」的過程中總要消耗掉一部分能量，即這些能量無法 100% 的轉變成有用功。這是物理界在 1850 年就提出來的熱力學第二定律，也叫「熵增定律」。

而在 1867 年，為了說明違反熱力學第二定律的可能性，著名的數學家、物理學家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出了一個假想實驗：

在一個充滿氣體的密閉容器中，加上中間的小門將容器分成體積相等的兩半，這個小門只允許單個氣體分子通過，小門的開閉由一個小妖控制。當容器中出現溫度較高的氣體分子時，小妖就會打開門，讓較熱的氣體分子跑到門的另一邊的腔體內。最終，門的一邊是較冷的氣體，而另一邊是較熱的氣體，那麼兩個腔體間出現的溫度差就能驅動熱機做功了。

當然了，這個小妖並不真實存在，我們也無法用小妖做出的溫差容器製成熱泵。在物理學上，人們引入「熵」的概念來度量一個熱力學系統中的無序程度。通過前面的例子，我們知道一個孤立系統的熵是永遠增大的。

麥克斯韋妖假想實驗

圖片來源：wikiwand

科學家開始「作妖」

「但是此後，有研究工作顯示，麥克斯韋小妖的工作其實並不違背熱力學第二定律，並有許多人試圖搭建合適的實驗體系，讓它們能像小妖一樣，在不耗能的情況下讓系統做熵減小的工作。」來自美國賓夕法尼亞州立大學的物理系教授 David Weiss 如是說。

成立了「作妖」小組， Weiss 和他的團隊通過調節激光阱（laser trap）的極化，將隨機填充在擁有 125 個網格陣列的 5×5×5 立方三維晶格中的超冷原子，通過移動晶格單元中的單個或者一組原子，可以實現將晶格中無序的原子，排列成如 5×5×2 或 4×4×3 的有序結構的晶格亞單元。

在 5×5×5 立方三維晶格中的原子被排列成有序陣列

圖片來源：論文

「我們實驗中所用的原子，幾乎都被冷卻到它們能被冷卻的極限，實驗體系中的熵可被定義為原子在晶格中的隨機排列的構型。」 Weiss 說，「有些系統中的原子並不處在超冷態，原子的熱振動則會成為整個系統中熵增的主要來源。在這種體系里，被有序化的原子對熵增造成的影響微乎其微。但是在我們的實驗體系里，我們發現將原子從無序變為有序後，能使系統的熵降低 2.4 倍。」

然而如果考慮到這個實驗體系的外部世界，Weiss 說：「我們的實驗其實在概念上與麥克斯韋妖實驗類似。決定原子有序化的排列位置時會增加外部世界的熵，與此同時晶格陣列中原子的構型熵（configurational entropy）降到了 0，因為每個特殊的構型只有一種狀態。再將保存的位置信息作為執行可逆操作的指南，這樣系統就明顯地進入低熵狀態。」

Weiss 小組所用的體系與其他排列體系的不同之處在於，體系初始熵的主要來源是原子在晶格陣列中的構型無序性，他們認為降低整個體系熵的過程是原子的重排。

「麥克斯韋小妖每次只能一次操縱一個粒子，」Weiss 驕傲的說：「而我們的『小妖』能獲得整個位置信息，進而繪製出一個詳細的藍圖，同時處理所有粒子。」

量子計算機的新曙光

麥克斯韋妖的假想實驗，促使人們更加深刻的理解熵和信息間的關係。Weiss 和他的研究小組製造出的體系也有非常可觀的應用前景。

量子計算機設想

圖片來源：bw40.net

「我們正在嘗試製造利用原子作為『量子比特（qubit）』的量子計算機。」Weiss 說：「傳統計算機利用晶體管將數據編碼成 0 和 1 兩種狀態，並以位元組的形式存儲。而用中性原子製成的量子比特，通過量子力學現象可以進行數據編碼，並能同時存在多種狀態。將原子有組織的堆疊在三維網格陣列，這一方式能讓我們將許多原子裝進一個非常小的區域，使計算變得更為便捷和高效。」

論文鏈接：

參考資料：

https://news.psu.edu/story/534837/2018/09/05/research/could-demon-help-create-quantum-computer

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/09/180905131829.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Maxwell%27s_demon

https://en.wikipedia.org/wiki/Entropy_(information_theory)

https://en.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell

https://en.wikipedia.org/wiki/Perpetual_motion