當(dāng)許多量子粒子相互作用時(shí)，可以形成復(fù)雜的系統(tǒng)。這種復(fù)雜性允許達(dá)到絕對零度的溫度 - 至少在原則上。

絕對最低溫度為-273.15°C。 永遠(yuǎn)不可能將任何物體精確地冷卻到這個(gè)溫度——一個(gè)人只能接近絕對零度。這是熱力學(xué)第三定律。

在PRX Quantum上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，TU Wien(維也納)的一個(gè)研究小組現(xiàn)在調(diào)查了這個(gè)問題：該定律如何與量子物理學(xué)的規(guī)則相協(xié)調(diào)?他們成功地發(fā)展了熱力學(xué)第三定律的“量子版本”：理論上，絕對零度是可以實(shí)現(xiàn)的。但對于任何可以想象的配方，你需要三個(gè)要素：能量、時(shí)間和復(fù)雜性。只有當(dāng)你擁有無限量的這些成分之一時(shí)，你才能達(dá)到絕對零度。

信息和熱力學(xué)：一個(gè)明顯的矛盾

當(dāng)量子粒子達(dá)到絕對零度時(shí)，它們的狀態(tài)是確切的：它們保證處于能量最低的狀態(tài)。然后，粒子不再包含有關(guān)它們以前處于什么狀態(tài)的任何信息。之前可能發(fā)生在粒子上的一切都被完美地抹去了。從量子物理學(xué)的角度來看，冷卻和刪除信息因此密切相關(guān)。

在這一點(diǎn)上，兩個(gè)重要的物理理論相遇：信息論和熱力學(xué)。但兩者似乎相互矛盾。“從信息論中，我們知道了所謂的蘭道爾原理。它說刪除一點(diǎn)信息需要非常特定的最小能量，“TU Wien原子研究所的Marcus Huber教授解釋說。然而，熱力學(xué)說，你需要無限量的能量才能將任何東西冷卻到絕對零度。但是，如果刪除信息和冷卻到絕對零度是一回事，那么它們?nèi)绾谓Y(jié)合在一起?

能量、時(shí)間和復(fù)雜性

問題的根源在于，熱力學(xué)是在19世紀(jì)為經(jīng)典物體制定的——蒸汽機(jī)、冰箱或發(fā)光的煤片。當(dāng)時(shí)，人們對量子理論一無所知。如果我們想了解單個(gè)粒子的熱力學(xué)，我們首先必須分析熱力學(xué)和量子物理學(xué)如何相互作用——這正是馬庫斯·胡貝爾和他的團(tuán)隊(duì)所做的。

“我們很快意識到，你不一定非要使用無限的能量才能達(dá)到絕對零度，”Marcus Huber說。“在有限的能量下也是可能的 - 但是你需要無限長的時(shí)間才能做到這一點(diǎn)。到目前為止，這些考慮仍然與我們從教科書中知道的經(jīng)典熱力學(xué)兼容。但隨后團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)至關(guān)重要的細(xì)節(jié)：

“我們發(fā)現(xiàn)量子系統(tǒng)可以被定義，即使在有限的能量和有限的時(shí)間內(nèi)也能達(dá)到絕對基態(tài) - 我們都沒有預(yù)料到這一點(diǎn)，”Marcus Huber說。“但這些特殊的量子系統(tǒng)還有另一個(gè)重要特性：它們是無限復(fù)雜的。因此，你需要對量子系統(tǒng)的無限多個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行無限精確的控制，然后你可以用有限的能量在有限的時(shí)間內(nèi)將量子物體冷卻到絕對零度。當(dāng)然，在實(shí)踐中，這就像無限高的能量或無限長的時(shí)間一樣遙不可及。

擦除量子計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)

“因此，如果你想完美地擦除量子計(jì)算機(jī)中的量子信息，并在此過程中將量子比特轉(zhuǎn)移到一個(gè)完全純凈的基態(tài)，那么理論上你需要一個(gè)無限復(fù)雜的量子計(jì)算機(jī)，可以完美地控制無限數(shù)量的粒子，”Marcus Huber說。然而，在實(shí)踐中，完美是不必要的——沒有一臺機(jī)器是完美的。量子計(jì)算機(jī)相當(dāng)好地完成它的工作就足夠了。因此，新結(jié)果原則上不是量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的障礙。

在量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，溫度在今天起著關(guān)鍵作用——溫度越高，量子態(tài)就越容易破裂，變得無法用于任何技術(shù)用途。“這正是更好地理解量子理論和熱力學(xué)之間的聯(lián)系如此重要的原因，”Marcus Huber說。“目前在這一領(lǐng)域有很多有趣的進(jìn)展。慢慢地，人們有可能看到物理學(xué)的這兩個(gè)重要部分是如何交織在一起的。