科学家成功发展了热力学第三定律的“量子版本”

　　框架：我们考虑在两个极端控制场景中冷却量子系统的任务，两个范式的每一步都包含两个基元。顶部面板描述了相干控制场景：在控制步骤（左）中，代理可以使用工作源W在系统S和机器M上实现任何全局酉，它们都在反温度β下开始热;在冷却目标时，能量和熵被传递到机器上。然后，机器随环境（右）进行再热处理，从而消散在控制步骤中获得的能量。下图描述了不相干的控制场景：机器在反温度β下被一分为二，在反温度下分为一个热部件βH<β。在控制步骤中，代理打开三个系统之间的交互，由全球节能的单一UEC表示。在再热化步骤中，相互作用被关闭，机器的两个子系统重新热化到各自的初始温度;热部分从热浴中获取能量，而冷部分将热量散发到环境中。在这两种范式中，我们将控制复杂性量化为给定控制步骤中酉操作访问的有效维数（即酉非平凡作用的系统机器希尔伯特空间的维数）。资料来源：PRX量子（2023）。DOI：10.1103/PRXQuantum.4.010332

　　当许多量子粒子相互作用时，可以形成复杂的系统。这种复杂性允许达到绝对零度的温度-至少在原则上。

　　绝对最低温度为-273.15°C。永远不可能将任何物体精确地冷却到这个温度——一个人只能接近绝对零度。这是热力学第三定律。

　　在PRX Quantum上发表的一项研究中，TU Wien（维也纳）的一个研究小组现在调查了这个问题：该定律如何与量子物理学的规则相协调？他们成功地发展了热力学第三定律的“量子版本”：理论上，绝对零度是可以实现的。但对于任何可以想象的配方，你需要三个要素：能量、时间和复杂性。只有当你拥有无限量的这些成分之一时，你才能达到绝对零度。

　　信息和热力学：一个明显的矛盾

　　当量子粒子达到绝对零度时，它们的状态是确切的：它们保证处于能量最低的状态。然后，粒子不再包含有关它们以前处于什么状态的任何信息。之前可能发生在粒子上的一切都被完美地抹去了。从量子物理学的角度来看，冷却和删除信息因此密切相关。

　　在这一点上，两个重要的物理理论相遇：信息论和热力学。但两者似乎相互矛盾。“从信息论中，我们知道了所谓的兰道尔原理。它说删除一点信息需要非常特定的最小能量，“TU Wien原子研究所的Marcus Huber教授解释说。然而，热力学说，你需要无限量的能量才能将任何东西冷却到绝对零度。但是，如果删除信息和冷却到绝对零度是一回事，那么它们如何结合在一起？

　　能量、时间和复杂性

　　问题的根源在于，热力学是在19世纪为经典物体制定的——蒸汽机、冰箱或发光的煤片。当时，人们对量子理论一无所知。如果我们想了解单个粒子的热力学，我们首先必须分析热力学和量子物理学如何相互作用——这正是马库斯·胡贝尔和他的团队所做的。

　　“我们很快意识到，你不一定非要使用无限的能量才能达到绝对零度，”Marcus Huber说。“在有限的能量下也是可能的-但是你需要无限长的时间才能做到这一点。到目前为止，这些考虑仍然与我们从教科书中知道的经典热力学兼容。但随后团队发现了另一个至关重要的细节：

　　“我们发现量子系统可以被定义，即使在有限的能量和有限的时间内也能达到绝对基态-我们都没有预料到这一点，”Marcus Huber说。“但这些特殊的量子系统还有另一个重要特性：它们是无限复杂的。因此，你需要对量子系统的无限多个细节进行无限精确的控制，然后你可以用有限的能量在有限的时间内将量子物体冷却到绝对零度。当然，在实践中，这就像无限高的能量或无限长的时间一样遥不可及。

　　擦除量子计算机中的数据

　　“因此，如果你想完美地擦除量子计算机中的量子信息，并在此过程中将量子比特转移到一个完全纯净的基态，那么理论上你需要一个无限复杂的量子计算机，可以完美地控制无限数量的粒子，”Marcus Huber说。然而，在实践中，完美是不必要的——没有一台机器是完美的。量子计算机相当好地完成它的工作就足够了。因此，新结果原则上不是量子计算机发展的障碍。

　　在量子技术的实际应用中，温度在今天起着关键作用——温度越高，量子态就越容易破裂，变得无法用于任何技术用途。“这正是更好地理解量子理论和热力学之间的联系如此重要的原因，”Marcus Huber说。“目前在这一领域有很多有趣的进展。慢慢地，人们有可能看到物理学的这两个重要部分是如何交织在一起的。