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牛津大学:通过不确定因果顺序的叠加状态来制作量子冰箱
2020-07-10

你有没有想到过有一天用上量子冰箱,不接上任何电源或其它制冷能源就可以工作?听起来很怪异吧,量子制冷总得像电冰箱之类一样,接上电源或其它制冷能源才可以工作,怎么可以通过一种称为不确定因果顺序的叠加状态就能制作量子冰箱呢?牛津大学的科学家们就这个问题提供了答案。

随着最近10年来在量子计算和量子通信领域的发展,科学家们在探寻如何对不确定因果的顺序进行研究,比如,量子电路模型是否完整地描述了事件的每种可能的量子顺序?研究人员最近对不确定因果顺序,即其中不同事件的顺序被量子叠加的研究,展示了如何在一种量子制冷系统中使用这种现象。

对这个问题的探讨导致了研究通过去极化通道的状态。量子去极化通道,英语:quantum depolarizing channel,是量子系统中的一种噪声模型。在这样的通道中,定义明确的初始状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。然后,通道的顺序处于叠加状态,并与处于不同状态的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。

研究人员解释说:“热化与去极化非常相似。除了给您一个完全随机的状态外,热化还为您提供了一种大部分是随机的状态,并根据您的喜好而处于较高或较低温度的能量状态。 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。热化产生的意外温度结果将会在热力学上有用。

如图所示不确定因果顺序,英语:indefinite causal order,简称:ICO,的量子冰箱的制冷循环的三个步骤。黑点表示工作系统,轮廓线的颜色表示与之交互的最后一个容器的温度。步骤(i)中的虚线表示在针对控制系统的状态测量 j + ic,即不期望的结果的情况下的操作。

牛津大学信息科学教授Vlatko Vedral及其同事分析了与消极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,在称为“怪异”的量子效应中,有可能在两个相同温度下以不确定的因果顺序使一个储能器热化一个量子态,并最终在另一个温度下达到该状态。研究人员提出了以此为第一步的制冷循环。接下来,有必要测量控制量子位以查明热化量子态的温度是否已经升高。如果有的话,随后经典地用热储存器(步骤2)对相同状态进行加热,则冷储存器(步骤3)可以冷却冷储存器,因为从状态传回冷储存器的热量将少于将冷库恢复到第一步中的状态。

乍一看,这似乎与热力学定律不相符。传统的冰箱之所以可以工作,是因为它已插入了电源或其他能源,那么,是什么为不确定的因果级别的量子制冷提供了能量呢?研究人员解释说,这可以用“麦克斯韦妖”符合热力学定律的相同方式来描述。

“麦克斯韦妖”(Maxwell's demon),是在物理学中假想的妖,能探测并控制单个分子的运动,英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。

麦克斯韦假设,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”,通过打开和关闭这扇门,将冷粒子和热粒子分类到盒子的单独隔断中,从而降低了系统的熵。根据热力学定律,在没有做功的情况下,熵应始终增加。此后,科学家通过突出显示“妖”正在测量粒子,并且存储在其测得温度上的信息将需要一定量的能量来擦除,即兰道尔原理的能量擦除,从而解释了与现实的不一致。

兰道尔原理,英语:Landauer's Principle,注意不要与朗道原理(Landau principle)混淆,是一种物理原理,它与计算能耗的理论下限有关。它认为,“任何逻辑上不可逆的信息操纵,例如擦除位或两个计算路径的合并,都必须伴随着信息处理设备的非信息承载自由度环境相应的熵增加。”

研究指出,就像“麦克斯韦妖”一样,在量子制冷机的每个循环中,有必要对控制量子位进行测量以了解发生了什么顺序的事情。“一旦将这种本质上随机的信息存储在诸如一个硬盘的信息存储系统中,如果想将此硬盘恢复到其初始状态,则将需要能量来擦除硬盘。” “因此,可以考虑将空的硬盘(而不是电力)送入制冷机运行。”

接下来,研究人员计划通过实现不确定因果顺序的方法原理制作冰箱。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在不同的方向上将光子通过电路发送,使得偏振态的叠加导致光子通过电路元件的顺序的叠加,这样的研究结果也将可能推广到更多的储藏层中。

该最新研究成果论文,题为:“具有不确定因果顺序的量子制冷”,刚刚被《物理评论快报》期刊通过,即将正式发表。

参考:Quantum refrigeration with indefinite causal order Physical Review Letters (2020) accepted manuscript, journals.aps.org/prl/accepted/ 0913d26525536bce4ce3

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