一项国际合作为量子理论与热力学之间的关系揭示了新的认识。研究小组证明，虽然量子理论的法律本身并不固有地阻止违反热力学第二定律，但任何量子过程都可以在没有实际违反该定律的情况下实施。这一令人惊讶的结果表明，尽管它们在逻辑上是独立的，量子理论与热力学之间可以和谐共存。这一发现可能对理解量子技术的热力学限制具有深远的影响，例如量子计算和纳米级发动机。
在这一突破性的发现中，日本名古屋大学和斯洛伐克科学院的研究人员揭示了量子理论与热力学之间相互作用的新见解。研究小组证明，虽然量子理论并不固有地禁止违反热力学第二定律，但量子过程可以在不实际违反该法律的情况下实现。这个发现发表在《npj量子信息》上，突显了这两个领域之间的和谐共存，尽管它们在逻辑上是独立的。他们的发现为理解量子技术的热力学边界开辟了新的途径，例如量子计算和纳米级发动机。
这一突破有助于长期探讨热力学第二定律，这一原则通常被视为物理学中最深奥和神秘的原理之一。第二定律声称熵——系统中无序的度量——永远不会自发减少。它还指出，循环运行的发动机不能仅通过从单一热环境中提取热量来产生机械功，并强调了时间的单向流动的概念。
尽管其基础性作用，第二定律仍然是科学中争论最多和被误解的原则之一。这场争论的核心是“麦克斯韦魔鬼”的悖论，这是物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1867年提出的一个思想实验。
麦克斯韦想象了一种假设生物——魔鬼——能够在热平衡的气体中对快慢分子进行分类，而不消耗能量。通过将这些分子分隔到不同的区域，魔鬼可以创造温度差。当系统返回平衡时，会提取机械功，似乎违背了热力学第二定律。
这一悖论让物理学家们困惑了一个多世纪，引发了关于该法律普遍性的质疑，以及它是否依赖于观察者的知识和能力。对此悖论的解决方案大多集中在将魔鬼视为受热力学法则约束的物理系统。提出的一个解决方案是抹去魔鬼的记忆，这需要消耗机械功，从而有效抵消对第二定律的违反。
为了进一步探索这一现象，研究人员开发了一个“魔鬼发动机”的数学模型，这是一个由麦克斯韦的魔鬼驱动的系统。他们的方法根植于量子仪器理论，这是在1970年代和1980年代引入的，用于描述最一般形式的量子测量框架。
该模型涉及三个步骤：魔鬼测量一个目标系统，然后通过与热环境耦合从中提取功，最后通过与同一环境的互动来抹去其记忆。
利用这一框架，研究小组推导出了魔鬼所消耗的功和它提取的功的精确方程，以冯·诺依曼熵和格罗宁沃德-小泽信息增益等量子信息度量为表达。当比较这些方程时，他们得到了一个令人惊讶的结果。
“我们的结果表明，在量子理论允许的某些条件下，甚至在考虑所有成本之后，提取的功可以超过消耗的功，似乎违反了热力学第二定律，”项目首席研究员水川慎太郎解释道。“这个启示令人兴奋而又出乎意料，挑战了量子理论本质上是‘魔鬼-proof’的假设。在框架中有隐藏的角落，麦克斯韦的魔鬼仍然可以施展魔法。”
尽管存在这些漏洞，研究人员强调，它们并不对第二定律构成威胁。“我们的工作表明，尽管存在这些理论上的脆弱性，但可以设计任何量子过程，使其遵守第二定律，”哈迈德·穆罕默迪说道。“换句话说，量子理论有可能突破热力学第二定律，但实际上并不需要。这建立了量子力学与热力学之间显著的和谐：它们保持独立，但并不根本对立。”
这一发现还表明，第二定律并没有对量子测量施加严格的限制。任何量子理论允许的过程都可以在不违反热力学原则的情况下实现。通过提高我们对这种相互作用的理解，研究人员旨在为量子技术解锁新的可能性，同时维护热力学的永恒原则。
“我们在本文中展示的一件事是，量子理论在逻辑上确实独立于热力学第二定律。也就是说，它可以违反该法则，仅仅因为它根本‘不知道’它的存在，”弗朗西斯科·布斯切米解释道。“而且——这同样引人注目——任何量子过程都可以在不违反热力学第二定律的情况下实现。这可以通过添加更多系统，直到恢复热力学平衡来完成。”该研究的影响超越了理论物理学。揭示量子系统的热力学限制为量子计算和纳米级发动机的创新奠定了基础。当我们探索量子领域时，这项研究提醒我们，自然基本法则与突破性技术进步之间的微妙平衡。
