本月初，賓夕法尼亞州立大學的物理學家在《自然》雜志上發布了一個與 19 世紀著名思想實驗相同功能的量子系統，能夠在一系列隨機分布的原子中創造秩序。這種高度有序的原子塊有望用作量子計算機中的量子門。

圖 | 賓西法尼亞州立大學的科學家將隨機原子陣列重新排列成有序的原子塊，這種結構有著 19 世紀的偉大科學家麥克斯韋的麥克斯韋妖思想實驗相同的功能。（來源：Weiss Laboratory）

熱力學第二定律認為熵（反應無序程度的物理量）總是在一個封閉系統中增加，該定律是物理學中最毋庸置疑的定律之一。亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）有一句名言性：“如果發現你的理論違背了熱力學第二定律……那么除了受到最深刻的羞辱之外，你不會顛覆任何理論。”

有“妖怪”的思想實驗

大約在 1870 年，麥克斯韋（James Clerk Maxwell）（沒錯，就是你們大學物理里的著名方程組之父）設計了一個思想實驗來質疑熱力學第二定律。他設想了一個微小的能夠在一個充滿無序氣體分子的密閉容器中制造有序的小妖怪。這個密閉容器被擋板隔開，擋板上有個一次只能允許一個分子通過的小孔，小妖怪有選擇性的開關小孔控制不同溫度氣體分子的流動，最終兩個隔間溫度會變得不同，整個容器熵值減小。這個實驗似乎違背了熱力學第二定律。

麥克斯韋假設小妖怪可以在擋板上隨意打開和關閉氣門。氣體分子通常是高度無序的（高熵），因為它們具有大致相同的平均速度和溫度，因此整體將接近平衡。所以沒有太多的能量可用于“做功”，在物理學中定義為力和位移的乘積（W = fd）。

因為構成分子的原子一直在運動，隨著時間的推移分子會有小的波動。每當小妖怪發現小孔附近右（冷）隔間的一個分子移動得快了一點，它就會打開快門并讓這個分子通往左（熱）隔間。而對左隔間中任何緩慢移動的氣體分子也是如此，允許它們進入右隔間。因此左隔間中的分子變得越來越熱，而右隔間的分子變得越來越冷——這顯然是熵的減少過程。一旦有了溫差，這個小容器基本上就可以成為能對外做功的熱泵。

當然，從統計學上來說，用速度或溫度來分類并分離出數十億的單個分子幾乎是不可能的——這有點像把一杯水扔到海里，然后還可以得到每個分子都完全一樣的一杯水。理論上這需要大量額外的能源。實驗中麥克斯韋妖其實提供了額外的能量，所以這個思想實驗并不是一個真正封閉的系統，也沒有違反熱力學第二定律。

近年來，物理學家們提出了一些非常聰明的實驗方案來將某些“小妖怪”帶到實驗室。例如，蘇格蘭科學家在 2007 年設計了一個“信息棘輪”，可以在化學系統中產生溫差，如果沒有這些棘輪系統會處于熱平衡狀態。一年后，俄勒岡大學的研究人員設計了一個巧妙的實驗，使用激光創造出一個盒子，另外兩束激光分別作為擋板小孔和 工作“小妖怪”。

日本物理學家根據 Szilard 引擎的概念在 2010 年的《自然》雜志上中介紹了如何將納米級別的柱子引導到一個螺旋樓梯上的方法。而到了 2013 年，德國科學家用一對相互作用的量子點（只有幾納米寬的微小半導體）構建了麥克斯韋妖實驗的等效實驗。

實驗室的“小妖怪”

“一直以來都有很多設計像“小妖怪”一樣的實驗系統的嘗試方案，”David Weiss，他是該研究組的領導者和論文的并列作者。“在非常小的尺度上已經取得了一些進展，但是我們創造了一個可以操縱大量原子的系統，并可以用一種減少系統熵的方式來操控它們，就像小妖怪一樣。”

他的團隊使用三對激光束將中性（不帶電的）銫原子捕獲到具有 125 個位置（5×5×5 立方體）的 3D 晶格中并冷卻到超低溫（高于絕對零度幾度）。用位置隨機的原子填充了一半的晶格，然后通過改變激光阱的極化（等效于麥克斯韋妖的功能）來移動原子，與麥克斯韋妖不同的一點是該實驗對原子的位置而不是速度排序。通過這種方式，他們能夠在原始無序晶格中創建有序的 5×5×2 或 4×4×3 子集，從而降低系統的熵。

根據 Weiss 的說法，該實驗的決定因素是極低溫，因為在這種溫度下，“系統的熵幾乎完全是由晶格中的原子的隨機位置決定的。”如果原子不是超冷的，重新排列它們對系統的整體熵沒有什么影響。該小組的科學家們能夠將實驗中的熵減少大約 2.4 倍。

這項工作為量子比特的構建提供了一個很有前景的選擇。使用中性原子進行量子計算也是一項有挑戰的工作，因為缺乏電荷意味著很難使這些原子充分相互作用達到糾纏態。通常人們通過量子“非門”實現翻轉一個量子比特影響另一個量子比特的糾纏態。

但是這種方法有很高的錯誤率。而 Weiss 小組的工作的意思在于，他們減少了一個原子阱中的熵，從而可以用更少的錯誤創造出更好的量子門。