精选
测量量子性的温度计
初看起来会违背热力学第二定律的“反常”热流给物理学家提供了一种方法来探测量子纠缠而不会破坏它。
Philip Ball 著
左 芬 译
【译注：原文2025年10月1日刊载于QuantaMagazine，链接见文末。】
Maxwell妖的现代变种可以作为一种催化剂，来推动热量从冷的量子物体流向热的。
如果说有一条物理定律看起来很容易掌握，那一定是热力学第二定律：热量自发地从高温物体流向低温的。可是现在，温和且近乎随意地，Alexsandre de Oliveira Jr. 刚刚向我证实我其实根本没有真正理解它。
拿这杯热咖啡和这壶冷牛奶来说吧，当我们坐在哥本哈根一间咖啡厅里时这位巴西物理学家说道。让它们接触，那么确实，热量会从热物体流向冷的，就像德国科学家Rudolf Clausius 1850年最先正式陈述的那样。可是，在某些情况下，de Oliveria 解释道，物理学家发现量子力学定律可以驱动热量反方向流动：从冷到热。
这并不真正意味第二定律失效了，当咖啡确实冷下来后他补充道。只不过是，Clausius的说法只是由量子物理学要求的一种更完备表述的“经典极限”。
20多年前物理学家就开始认识到这一情形的微妙性，并且自那以后就开始探索量子力学版本的第二定律。如今，在丹麦技术大学做博士后的de Oliveira与合作者证明，在量子尺度激活的这种“反常热流”具有便利且巧妙的用途。
他们称，它可以作为一种简易的方法来探测“量子性”——例如检测一个物体是处在多种允许的可观测态的量子“叠加”中，或者两种这样的物体是纠缠着的，拥有相互依赖的态——而不会破坏这些脆弱的量子现象。这种诊断工具可以用来确保一台量子计算机确实在使用量子资源执行运算。它甚至可能有助于探测引力的量子特征，现代物理学的延伸目标之一。研究者声称，他们所要做的就是，把一个量子体系跟第二个可以存储其信息的体系关联起来，再跟一个热汇（heat sink）——能够吸收很多热量的一个物体——关联起来。有了这一设备，你就可以推动热量到热汇的传递，超过经典上允许的程度。只要测量热汇有多热，你就可以探测出量子体系中叠加或是纠缠的存在性。
实用上的收益先不谈，这一研究展示了关于热力学的一个深刻真理的全新层面：热量与能量在物理体系中的转换和传递跟信息——这些体系已被或者能被知晓的东西——紧密地结合在了一起。在这一情况下，我们为反常热流所“支付”的是牺牲掉量子体系的存储信息。
“热力学量可以预示量子现象，我喜欢这个想法，”马里兰大学物理学家Nicole Yunger Halpern说道，“这一主题既基础又深刻。”
知识就是力量
“一台自动机器，在没有任何外部作用的帮助下，是不可能将热量从一个物体传递到另一个温度更高的物体上的，”Rudolf Clausius 1850 （用德文）这样写道。这就是热力学第二定律的最早表述。
苏格兰物理学家James Clerk Maxwell于19世纪最先探索热力学第二定律与信息的关联。让Maxwell苦恼的是，Clausius的第二定律似乎意味着局部热量会耗散到整个宇宙，从而让所有温度差异都消失。在此过程中，宇宙的总熵——粗糙地说，也就是对无序及无特征的程度的衡量——会不可逆转地增大。Maxwell意识到，这一趋势最终会排除任何利用热流来做有用功的可能性，而宇宙会进入充斥着均匀而嘈杂的热运动的一种乏味平衡态：“热寂”。这一预测让任何人都觉得不安得很。而Maxwell作为一个虔诚的基督徒，则将其视为一种诅咒。不过在1867年写给朋友Peter Guthrie Tait的一封信中，Maxwell声称已经有办法在第二定律里“找出破绽”了。
他想象有一个微小的生物（后来被称为一只妖）可以看到气体中单个分子的运动。气体填充在一个盒子里，而盒子被一块挡板隔成了两半，挡板上有一道暗门。通过有选择性地开合暗门，妖可以把快速运动的分子关到一个隔间里，而把缓慢移动的分子关到另一个隔间里，从而分别得到一团热气体和一团冷气体。于是基于收集到的分子运动的信息并加以操作，妖就减少了气体的熵并生成了温度梯度，进而可以用来做机械功，比如推动活塞。
科学家们很确信Maxwell妖不可能真正违背第二定律，不过他们花了近100年才弄清楚原因。答案在于，妖收集和存储的关于分子运动的信息最终会耗尽它有限的存储器。接下来它必须擦除并重置存储器以便持续运作下去。物理学家Rolf Landauer 1961年证明，这一擦除会消耗能量并产生熵——并且产生的熵比妖的排序操作减少的更多。Landauer的分析建立了信息与熵之间的一种等价性，而这意味着信息本身可以表现为一种热力学资源：它可以转化为功。物理学家2010年从实验上证实了这一信息-能量之间的转化过程。
因为对热力学第二定律感到不安，苏格兰物理学家James Clerk Maxwell设计了关于一只全知妖的思想实验，而该实验如今仍在提供见解。
可是量子现象允许信息以经典物理所不允许的方式进行处理——这正是量子计算与量子加密等科技的全部基础。这也正是为何量子理论会给常规的第二定律带来麻烦的原因。
利用关联
纠缠着的量子物体有着交互的信息：它们是关联着的，因此我们可以观察其中一个来了解另一个的性质。这本身并没有多古怪；如果你看到一只手套是左手的，你知道另一只一定是右手的。可是一对纠缠着的量子粒子以一种特定的方式与手套区别开来：在你看之前手套的手性就已经确定了，而根据量子力学，量子粒子的情况并非如此。在你测量它们之前，纠缠对中每个粒子的可观测性质该取哪个值是未定的。在那个阶段，我们知道的唯一事情就是各种组合取值的可能性，比如50%左-右和50%右-左。只有当我们测量粒子之一的态时，这些可能性才会归结到一种确定的输出。在这一测量过程中，纠缠被破坏了。
如果气体分子是以这种方式纠缠着的，那么Maxwell妖可以更高效地操纵它们，相比于所有分子都独立运动的情况。比方说如果妖知道，任何一个它看到过来的快速运动分子都会以这种方式关联到另一个快分子，使得这另一个分子会在片刻之间紧随其后，那么妖就无需观察这第二个粒子，可以直接打开暗门让它进去。（临时地）挫败第二定律的热力学花费得以降低了。
2004年，维也纳大学的量子理论家Časlav Brukner和如今在伦敦大学帝国理工学院的Vlatko Vedral 指出，这意味着宏观的热力学测量可以作为“证人”来证实粒子间量子纠缠的存在性。他们证明，在一定条件下，一个体系的热容或者其对所加磁场的反应必然携带纠缠的印记，如果该纠缠存在的话。
按照类似的思路，其他物理学家计算发现，当体系中存在量子纠缠时，你可以从热物体中获取比纯经典情况更多的功。
而在2008年，加州大学物理学家Hossein Partovi识别出了量子纠缠在破坏经典热力学导出的先入之见上的一种极为神奇的影响。他意识到，纠缠实际上能逆转热量从热物体到冷物体的自发流动，看起来颠覆了第二定律本身。
这一逆转是一种特殊的制冷，Yunger Halpern称。也跟常规制冷一样，它并不是无偿获得的（因而并没有真正破坏第二定律）。经典上，制冷物体需要做功：我们必须消耗燃料来把热量“反向”地泵出，从而补偿了在让冷物体更冷而热物体更热的过程中失去的熵。可是在量子情形下，Yunger Halpern说，你不再燃烧燃料来实现制冷，“你燃烧的是关联。”换句话说，在反常热流进行时，纠缠逐渐被破坏了：最初具有关联性质的粒子变成独立的了。“你可以用关联作为资源来推动热量朝反方向流动，”Yunger Halpern称。
Vlatko Vedral是借助热力学测量作为“证人”来揭示粒子间量子纠缠的存在性这一想法的提出者之一。
事实上，这里的燃料就是信息本身：具体来说就是纠缠着的热物体与冷物体的交互信息。
两年后，伦敦大学帝国理工学院的David Jennings 与Terry Rudolph澄清了这里发生的情况。他们证明，热力学第二定律可以重新表述以囊括存在交互信息的情况，并且计算出通过消耗量子关联可以在多大程度上变动甚至逆转经典热流的极限。
全知的妖
因此，当量子效应加入游戏时，第二定律就没那么简单了。那么，借助量子物理放松热力学定律约束的方法，我们是不是能做些有用的事情呢？这正是一门叫做量子热力学的学科的目标之一，在该学科中一些研究者试图让量子引擎比经典的运转起来更高效，或者让量子电池充电更快。
波兰科学研究院理论物理中心的Patryk Lipka-Bartosik则在另一个方向寻求实际应用：用热力学作为工具来探测量子物理。去年，他和同事们弄清了如何实现Brukner与Vedral 2004年的想法，即使用热力学性质来见证量子纠缠。他们的方案包含彼此关联的热与冷量子体系，以及在二者间传递热流的第三个体系。我们可以把这第三个体系视为一只Maxwell妖，只不过现在它有了“量子存储器”，因而可以让自己与要操作的体系纠缠起来。由于都跟妖的存储器纠缠着，热与冷体系实际上也联系起来了，这使得妖可以从一个体系的性质推断出另一个的来。
Patryk Lipka-Bartosik探索了如何使用热力学测量来探测量子效应。
这样一只量子妖可以作为一种催化剂，通过获取本来无法获取的关联来帮助热传递发生。也就是说，因为它跟热物体和冷物体都纠缠着，妖可以推测并系统地利用它们之间所有的关联。此外，也跟催化剂一样，一旦物体间的热量交换得以完成，这第三个体系会回到它最初的状态。就这样，这一过程可以推动反常热流，使其超出不存在这样一种催化剂时的情况。
De Oliveira，Lipka-Bartosik与丹麦技术大学的Jonatan Bohr Brask今年合著的一篇文章使用了与此相同的一些想法，但引入了一个关键的不同点，从而将这一套装置变成了测量量子性的一种温度计。在之前的工作中，这一类妖的量子存储器与一对关联的量子体系，一热一冷，相互作用。而在最新的工作中，它处在一个量子体系（比方说，量子计算机中的量子比特或者叫量子位的阵列）与一个简单的，并不跟量子体系直接纠缠的热汇之间。
由于存储器跟量子体系和热汇都纠缠着，它仍然可以催化它们之间的热流，并使其超出经典的可能值。在此过程中，量子体系内部的纠缠转化为额外的热量，并进入热汇。因此测量存储在热汇中的能量（类似于读取它的“温度”）会揭示出量子体系中纠缠的存在性。可是既然体系和热汇它们自己并没有纠缠起来，这一测量不会影响量子体系的状态。这一手避免了测量破坏量子性这一声名狼藉的后果。“如果你试图在【量子】体系上直接进行测量，你会在这一过程有所收获之前就破坏掉它的纠缠，”de Oliveira说道。
物理学家Alexssandre de Oliveira Jr. （左）和Jonatan Bohr Brask（右）与Patryk Lipka-Bartosik合作开发了一种新方案， 可以在不破坏量子性的前提下探测到它。
这一新方案的优点在于简单且通用，如今在牛津大学的Vedral称。“这些验证协议非常重要，”他说，每当某个量子计算公司对其最新设备的性能发布新的公告，这样的问题就总会出现：他们如何（或者是否）确切知晓量子比特间的纠缠在为计算提供帮助。热汇可以仅仅通过其能量改变来为这种量子现象充当探测器。为了实现这一想法，你可以将一个量子比特指定为存储，用它的态来指示其它比特的态，接着把这一存储量子比特耦合到一组充当热汇的粒子上，而这些粒子的能量你是可以测量的。（有一个附带条件，Vedral补充道，你必须对你的体系有非常好的控制，以确保没有其它热流的来源会污染测量。另一点就是，这一方法不会探测到所有纠缠态。）
De Oliveira觉得，已经有这样一个体系可以来从实验上验证他们的想法了。他与合作者在和巴西圣保罗市ABC联邦大学Roberto Serra的研究组正在讨论这一目标。2016年，Serra与合作者使用氯仿分子中碳和氢原子的磁指向或者说自旋作为量子比特，并在它们之间传递热量。
在这套设定下，de Oliveira称应该有可能利用一种量子行为——在此情形下是相干性，也就是说两个或多个自旋的性质彼此同步地演化——来改变原子间的热流。量子比特的相干性对于量子计算而言是至关重要的，因此能通过检测反常热交换来验证它是很有帮助的。
还可以把这一赌注下得更大一些。数个研究组在试图设计实验来判定引力是否也跟其它三种基本力一样是一种量子力。这些尝试中的一部分会搜寻两个物体间仅仅由它们彼此的引力吸引所生成的量子纠缠。或许研究者们可以通过在物体上执行简单的热力学测量来探测这种引力诱导的纠缠——从而验证（或证否）引力确实是量子化的。
为了研究物理学中最深奥的问题之一，Vedral说道，“你只需要做这种简单而宏观的事情，这不是很美妙么？”
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/a-thermometer-for-measuring-quantumness-20251001/
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