@ 2017.07.12 , 11:30

科学家读取了麦克斯韦妖的记忆

一项先驱工作提供了麦克斯韦妖(又称麦克斯韦精灵)内在运作机制的迷人观点。这是物理学上一个著名的思维实验。

一个包括埃塞克特大学Janet Anders博士在内的国际研究团队利用超导体电路复生了这个精灵。

这一精灵首先由James Clerk Maxwell在1867年提出,是一个假想的存在,相比热力学第二定律允许的量,能从热力学系统中获得更多可用能量。

科学家读取了麦克斯韦妖的记忆
credit: 煎蛋画师Piccolo的儿子Wesley

关键的是,这一团队不仅首次直接观测到了获得的能量,还跟踪了存储在精灵记忆中的信息。

这一研究已发表在国家科学院论文集上(PNAS)。

这个思维实验最初是由历史上最具影响力的科学家之一——数学物理学家James Clerk Maxwell在150多年前首先提出的。

他假设两个相邻箱子中的气体粒子能够被一个操纵微型门的精灵所筛选,使得高能粒子只朝着一个方向移动,低能粒子以相反方向移动。

由此,一个盒子就会得到更高的平均能量,产生压差。这种非均衡情形能被用于获取能量,类似于存储在大坝后面的水被释放时获得的能量。

所以虽然气体最初处于均衡态,但这个精灵能制造非均衡态并提取能量,回避了热力学第二定律。

来自埃塞克特大学的物理系的主导理论物理学家Anders博士补充道:“在1980年代,研究者发现这并非故事的全貌。关于粒子性质的信息仍存储在精灵的记忆之中这些信息会引起能量消耗,这就将精灵的能量增益减少到零,解决了这一悖论。”

在这一研究中,团队创造了一个量子麦克斯韦妖,具现为能从超导量子比特中获取能量的微波腔。这一团队完全建立了这一精灵介入后的记忆地图,揭示了存储的量子比特状态信息。

Anders博士补充道:“这一系统按照量子机制动作这一事实意味着粒子可以同时具备高能和低能两种状态,而不是麦克斯韦考虑的其中一种。”

这一开创性实验只是稍微展现了量子信息和热力学之间的相互作用,是目前纳米尺度热力学过程理论发展的重要一步。

论文原文:DOI: 10.1073/pnas.1704827114

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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