麦克斯韦的恶魔：在擦除信息发现的唯一量子效果

可以在粒子（左或右）的位置编码一点信息。恶魔可以通过升高一侧擦除经典位（蓝色），直到粒子肯定在右侧。量子颗粒（红色）还可以在屏障下隧道产生更多热量。

来自Trinity的研究人员在擦除可能对量子计算芯片的设计具有显着影响的信息方面发现了一个独特的量子效果。他们的令人惊讶的发现带回了生活的矛盾的“Maxwell的恶魔”，它已经超过了150年的折磨物理学家。

计算的热力学是在1961年罗尔夫兰德，然后在IBM处发现了热量和逻辑上不可逆转的操作之间的关系。Landauer以Mantra“信息为物理”而闻名，这提醒我们信息不是抽象的，并在物理硬件上编码。

“位”是信息的货币（它可以是0或1），Landauer发现，当钻头擦除时，存在最小的热量释放。这被称为Landauer的束缚，是信息理论与热力学之间的最终联系。

John Goold的QUsys Group在Trinity的QUsys Group正在分析这个主题，考虑到量子计算，其中耗尽量子位（可以是0和1的Qubit）被擦除。

在Journal的刚刚发布的工作中，物理审查信件，该集团发现要删除的信息的量子性质可能导致散热中的大偏差，这在传统的比特擦除中不存在。

热力学和麦克斯韦的恶魔

在Landawer Scients，Ludwig Boltzmann和苏格兰物理学家这样的百年以前，詹姆斯·克莱克麦斯韦尔（James Clerk Maxwell）正在制定气体的动力学理论，通过思考原子的物质并衍生宏观来恢复古希腊人的古老想法微观动力学的热力学。

戈德教授说：

“统计力学告诉我们，可以通过原子物质成分的平均行为来理解压力和温度，甚至热力学的定律，甚至是热力学的定律。热力学的第二律涉及称为熵的东西，其简而言之，这是一种过程中疾病的衡量标准。第二法告诉我们，在没有外部干预的情况下，宇宙中的所有过程平均往往增加其熵并达到称为热平衡的状态。

“它告诉我们，当混合时，在不同温度下的两个气体将在两者的平均温度下达到新的均衡状态。这是一个终极法律，即每个动态系统都受到它的影响。没有逃生：所有事情都会达到均衡，甚至是你！“

然而，统计力学的创始父亲正试图从动力学理论的开始，从第二律上挑选漏洞。再次考虑均衡中的气体的例子：Maxwell想象一个假设的“整洁的手指”，能够基于它们的速度跟踪和排序天然气中的粒子。

Maxwell的恶魔作为被众所周知，可以在包含气体的盒子中快速打开和关闭一个陷阱门，让热颗粒到盒子的一侧，但限制了另一侧。这种情况似乎与第二热力学的第二律法相矛盾，因为整体熵似乎减少，也许物理学最着名的悖论出生。

但Landauer发现了关于删除信息的散热成本的发现呢？好吧，帕拉多解决了20年，才会得到了20年的局面，帕拉德省了，麦克萨斯韦的恶魔终于被驱逐了。

Landauer的工作启发了Charlie Bennett - 也在IBM - 调查可逆计算的想法。1982年，贝内特认为恶魔必须有一个记忆，而且它不是测量，而是掠夺恶魔记忆中的信息，这是恢复悖论中第二法律的行为。而且，结果，计算热力学出生。

新发现

现在，40年来，这是戈德罗德教授的新工作所致的新工作，带有量子计算热力学的聚光灯。

在最近的论文中，在曼彻斯特大学发布了哈里米勒，在Trinity，Mark Mitchison和Giacomo Guarnieri的Qusys Group中出版，该团队非常仔细地研究了一项实验逼真的擦除过程，允许量子叠加（Qubit可以同时处于状态0和1）。

戈德教授解释：

“实际上，电脑可以远离Landauer的散热，因为它们不是完美的系统。然而，考虑界限仍然很重要，因为随着计算组件的小型化继续，该界限变得更近，并且对于量子计算机变得更加重要。有什么惊人的是，这几天你可以真正学习擦除这种限制。

“我们问：“这一明显的量子功能为擦除协议产生了什么差异？”答案是我们没想到的事情。我们发现即使在理想的擦除协议中 - 由于量子叠加，您也会获得非常罕见的事件，使热量远远超过Landauer限额。

“在论文中，我们在数学上证明这些事件存在并且是唯一的量子特征。这是一个非常不寻常的发现，对未来量子芯片的热量管理非常重要 - 尽管有更多的工作要做，特别是在分析更快的操作和其他栅极实现的热力学方面。

“即使在2020年，Maxwell的恶魔也继续对自然定律提出基本问题。”

参考：“量子波动妨碍了地兰特限制附近有限时间信息擦除”哈里J.D. Miller，GiacoCu Guarnieri，Mark T. Mitchison和John Gooold，10月15日2020年，物理评论信件.DOI：
10.1103 / physrevlett.125.160602