不接電源或能源就可工作的量子冰箱？牛津大學提供死路

你有沒有想到過有一天用上量子冰箱，不接上任何電源或其它制冷能源就可以工作？聽起來很怪異吧，量子制冷總得像電冰箱之類一樣，接上電源或其它制冷能源才可以工作，怎么可以通過一種稱為不確定因果順序的疊加狀態(tài)就能制作量子冰箱呢？牛津大學的科學家們就這個問題提供了答案。

隨著最近10年來在量子計算和量子通信領(lǐng)域的發(fā)展，科學家們在探尋如何對不確定因果的順序進行研究，比如，量子電路模型是否完整地描述了事件的每種可能的量子順序？研究人員最近對不確定因果順序，即其中不同事件的順序被量子疊加的研究，展示了如何在一種量子制冷系統(tǒng)中使用這種現(xiàn)象。

對這個問題的探討導致了研究通過去極化通道的狀態(tài)。量子去極化通道，英語：quantum depolarizing channel，是量子系統(tǒng)中的一種噪聲模型。在這樣的通道中，定義明確的初始狀態(tài)最終變成了完全隨機的狀態(tài)。

通過去極化通道不可能進行有意義的信息傳遞，但是當量子狀態(tài)以不確定的因果順序通過一個去極化通道后，事情就會發(fā)生變化。然后，通道的順序處于疊加狀態(tài)，并與處于不同狀態(tài)的疊加的控制量子位糾纏在一起。研究人員發(fā)現(xiàn)，當狀態(tài)以不確定的因果順序通過兩個去極化通道時，如果還可以測量控制量子位，則會傳輸一定量的信息。

研究人員解釋說：“熱化與去極化非常相似。除了給您一個完全隨機的狀態(tài)外，熱化還為您提供了一種大部分是隨機的狀態(tài)，并根據(jù)您的喜好而處于較高或較低溫度的能量狀態(tài)。 如果您以不確定的因果順序?qū)δ呈挛镞M行兩次熱化，那么最終將不會達到您期望的溫度狀態(tài)。熱化產(chǎn)生的意外溫度結(jié)果將會在熱力學上有用。

如圖所示不確定因果順序，英語：indefinite causal order，簡稱：ICO，的量子冰箱的制冷循環(huán)的三個步驟。黑點表示工作系統(tǒng)，輪廓線的顏色表示與之交互的最后一個容器的溫度。步驟（i）中的虛線表示在針對控制系統(tǒng)的狀態(tài)測量 j + ic，即不期望的結(jié)果的情況下的操作。

量子制冷

牛津大學信息科學教授Vlatko Vedral及其同事分析了與消極通道相似的熱通道的表達式，并考慮了不確定因果順序的影響。他們發(fā)現(xiàn)，在稱為“怪異”的量子效應(yīng)中，有可能在兩個相同溫度下以不確定的因果順序使一個儲能器熱化一個量子態(tài)，并最終在另一個溫度下達到該狀態(tài)。研究人員提出了以此為第一步的制冷循環(huán)。接下來，有必要測量控制量子位以查明熱化量子態(tài)的溫度是否已經(jīng)升高。如果有的話，隨后經(jīng)典地用熱儲存器（步驟2）對相同狀態(tài)進行加熱，則冷儲存器（步驟3）可以冷卻冷儲存器，因為從狀態(tài)傳回冷儲存器的熱量將少于將冷庫恢復(fù)到第一步中的狀態(tài)。

乍一看，這似乎與熱力學定律不相符。傳統(tǒng)的冰箱之所以可以工作，是因為它已插入了電源或其他能源，那么，是什么為不確定的因果級別的量子制冷提供了能量呢？研究人員解釋說，這可以用“麥克斯韋妖”符合熱力學定律的相同方式來描述。

“麥克斯韋妖”（Maxwell‘s demon），是在物理學中假想的妖，能探測并控制單個分子的運動，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設(shè)想的。

麥克斯韋假設(shè)，一個絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由“妖”控制的一扇小“門”，通過打開和關(guān)閉這扇門，將冷粒子和熱粒子分類到盒子的單獨隔斷中，從而降低了系統(tǒng)的熵。根據(jù)熱力學定律，在沒有做功的情況下，熵應(yīng)始終增加。此后，科學家通過突出顯示“妖”正在測量粒子，并且存儲在其測得溫度上的信息將需要一定量的能量來擦除，即蘭道爾原理的能量擦除，從而解釋了與現(xiàn)實的不一致。

蘭道爾原理，英語：Landauer’s Principle，注意不要與朗道原理（Landau principle）混淆，是一種物理原理，它與計算能耗的理論下限有關(guān)。它認為，“任何邏輯上不可逆的信息操縱，例如擦除位或兩個計算路徑的合并，都必須伴隨著信息處理設(shè)備的非信息承載自由度環(huán)境相應(yīng)的熵增加?！?/p>

研究指出，就像“麥克斯韋妖”一樣，在量子制冷機的每個循環(huán)中，有必要對控制量子位進行測量以了解發(fā)生了什么順序的事情?！耙坏⑦@種本質(zhì)上隨機的信息存儲在諸如一個硬盤的信息存儲系統(tǒng)中，如果想將此硬盤恢復(fù)到其初始狀態(tài)，則將需要能量來擦除硬盤?！?“因此，可以考慮將空的硬盤（而不是電力）送入制冷機運行。”

接下來，研究人員計劃通過實現(xiàn)不確定因果順序的方法原理制作冰箱。到目前為止，不確定因果順序的實驗實現(xiàn)已在極化狀態(tài)的疊加中使用了控制量子位。然后，取決于偏振的分束器將根據(jù)偏振在不同的方向上將光子通過電路發(fā)送，使得偏振態(tài)的疊加導致光子通過電路元件的順序的疊加，這樣的研究結(jié)果也將可能推廣到更多的儲藏層中。

該最新研究成果論文，題為：“具有不確定因果順序的量子制冷”，剛剛被《物理評論快報》期刊通過，即將正式發(fā)表。