走进科学, 量子
从量子冰箱里取出大象需要几步
*前几段看不懂可以直接看分割线以下试试
大家应该都听过那个冷笑话：你从冰箱里取出大象，需要几个步骤？
好吧，现在假设你取出了大象，但是吃之前是不是要先解冻呢？是用冷水，还是放在那里等冻肉自然化开？你有没有考虑过把大象放进另一台冰箱？
为了把从冰箱里取出的冻肉化开，把它们再放进另一台一模一样的冰箱里？听起来十分南辕北辙，但最近对不确定因果顺序的研究(其中不同事件的顺序被量子叠加)表明，在量子系统中这不失为一个好方法。牛津大学的研究人员展示了如何借助这一特性实现量子制冷。
“人们问，量子电路模型是否完整描述了事件的每种可能的量子顺序？”博士David Felce在报告中说道。
对这个问题的探讨导致人们去研究信息通过去极化通道后的状态——在这些通道中，定义明确的初始态最终变成了完全随机的状态。通过去极化通道不可能进行有意义的信息传递，但是当量子状态以不确定的因果顺序通过一个去极化通道后，事情就会发生变化。通道的顺序处于叠加状态，并与处于不同状态叠加的控制量子位纠缠在一起。研究人员发现，当状态以不确定的因果顺序通过两个去极化通道时，如果还可以测量控制量子位，则会传输一定量的信息。
Felce进一步解释说：“而热化与去极化非常相似。”
热化并未制造出完全随机的状态，而是提供了一个几乎是随机的状态，根据您的喜好，它处于较高或较低能量状态的可能性更高或更低。“我想，如果您以不确定的因果顺序对某事物进行两次热化，那么最终将不会达到您期望的温度状态。”他补充说，热化产生的意外温度结果可能在热力学上有用。
量子制冷
Felce和牛津大学信息科学教授Vlatko Vedral分析了与极化通道相似的热通道的表达式，并考虑了不确定因果顺序的影响。他们发现，在“奇异”效应中，有可能借助不确定的因果顺序使一个储能器热化另一个同温度的储能器。
研究人员提出了以此原理为核心的制冷循环。
乍一看，这似乎与热力学定律不符。传统的冰箱可以工作，因为它接入电源或其他能源，那么，有什么东西为不确定的因果级量子制冷提供能量呢？Felce解释说，这可以用麦克斯韦妖来解释。
麦克斯韦妖，可以这样简单地描述：一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由“妖”控制的一扇小“门”，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，可以利用此温差，驱动热机做功。这是第二类永动机的一个范例。根据热力学定律，在没有做功的情况下，熵应始终增加。此后，在1981年，Bennett的论文表明，麦克斯韦妖控制“门”使分子从一格进入另一格中的耗散过程，并不是发生在衡量过程中，而是发生在妖的对上个分子判断“记忆”的去除过程，且这个过程是逻辑不可逆的。
接下来，Felce计划研究实现不确定因果顺序冰箱的方法。到目前为止，不确定因果顺序的实验实现已在极化状态的叠加中使用了控制量子位。然后，取决于偏振的分束器将根据偏振片筛出不同的方向，发送光子通过电路，从而偏振态的叠加导致光子通过电路元件的顺序的叠加。Felce也有兴趣研究将结果推广到更多的储层中。
更多信息： 具有不确定因果顺序的David Felce和Vlatko Vedral量子冰箱
物理评论快报(2020)已接受手稿，journals.aps.org/prl/ accepted/ …0913d26525536bce4ce3
期刊 Journal information:Physical Review Letters
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晕了就看这里最后挣扎一下。热力学定律指出，把两杯温度一样的水倒在一起，不会出现上面沸腾，下面结冰的情况。哪怕这种情况可以满足能量守恒。现在，不妨假设有个渗透膜在装满水的容器中间，水分子可以在渗透膜的孔洞处通过——这对前面的热力学结论并无影响。
再制造出一台分子机器人，让为渗透膜守门：
最终结果就是，渗透膜上方的水温越来越高，下方的变冷。
这种机器人的存在本身也不能违背热力学定律！
它必须要消耗能量，才能平了“水温分层导致熵减”的账。它的能量消耗在哪里呢？如果这种机器人可以在物理层面制造出来，则它的内存必然是有限的。有限的内存写满了之后，则必须要擦除部分信息，才能继续活动，否则没有内存，指导机器人活动的程序就崩溃了。而这个擦除信息的操作，必须要消耗能量。同时这部分能量是无法通过精确设计来消弭的——机器人踢飞分子的操作理论上存在不消耗能量的可能！
最精彩的地方就在这里了，Felce转换个思路:我不消耗能量格式化，我直接拔了内存换上一块新的！这里的内存是和不确定因果时间纠缠的量子位。
这样等效于，他没有消耗能量，就让一杯50℃的水去加热(制冷)另一杯50℃的水，结果一杯沸腾，一杯结冰。
当然，实际上他要利用到量子系统里的因果不确定性事件，只能在极小规模或者隐喻层面实现上面的制冷操作，但是未来发展说不定有意想不到的应用前景。