对于量子热机中的麦克斯韦妖来说，少即是多学术资讯

对“麦克斯韦妖”的能力加以限制，有助于调和某些关于量子热机的争论。

150多年前，为了证实违反热力学第二定律的可能性，苏格兰著名科学家James Clerk Maxwell首次提出了“麦克斯韦妖”（Maxwell's demon）的概念，至今它一直困扰着物理学家和信息科学家。简单地说，这个物理学中的假想妖，能够探测并控制单个分子的运动。在相关思想实验中，快粒子和慢粒子可被分门别类地放入“容器”中。尽管物理学家通过利用“妖”的记忆使其符合经典系统的统计力学定律，但是当量子热机的概念出炉时，再次让研究人员在其可行性解释上产生了争论。据美国“物理学组织3月3日消息称，《物理评论快报》日前刊发的一篇研究论文阐释了相关物理建模实验的最新结果，这有可能将让不同的论点融合在一起。

德国马克斯•普朗克光科学研究所（MPISL）研究员、新加坡国立大学（NUS）博士生Stella Seah介绍道：“我们希望展示信息科学和热力学之间的联系。”通过用一个系统访问权限有限的“小麦克斯韦妖”对一个物理系统进行建模，Seah与同事们成功地展示出熵增的来源，以及熵是否会导致量子热（quantum heat）或真正的功（work done）。

虽然关于这个问题的争论经常产生于信息论和热力学的抽象领域中，但是Seah的研究小组热衷的是开发一种更具实用性的方法。他们认为，一个与热储（thermal reservoir）相接触的量子位系统可以被提升到激发态。量子位与一个指针耦合，而该指针能够基于量子位的内部状态在宏观上改变位置。Seah建议把该指针想象成一个弹簧，或者是一个在量子阱中振荡的分子——在量子阱中，最小能量的位置可以根据量子位状态改变位置。

对于已经进行了几十年的争论，这个模型似乎取得了重大进展，但是Seah表示，她对这样的结果并不惊讶。她解释道：“让我惊讶的是，如果使用的是宏观指针，你就会观察到与微观指针不同的行为特征。”据她阐释，如果在该模型中采用第二个量子位来作为指针，那么就会导致类似于奥托循环（Otto cycle，可以描述部分经典蒸汽机的工作原理）的热力学行为。只有当指针的位置变化比热波动的幅度大得多时，测量行为才会以做功的方式增加熵。

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编译：朱明逸

审稿：alone

责编：雷鑫宇

期刊来源：《物理评论快报》

期刊编号： 0031-9007

原文链接：

https://phys.org/news/2020-03-maxwell-demon-quantum.html