苏格兰著名科学家詹姆斯克拉克麦克斯韦首次提出麦克斯韦扰动概念150多年后，这个概念仍然困扰着物理学家和信息科学家。
这是麦克斯韦在一次思维实验中幻想出的“恶魔”，麦克斯韦妖可以将快慢粒子分类到容器的不同侧面，这似乎违反了热力学第二定律。通过研究麦克斯韦妖的记忆，物理学家能够使麦克斯韦妖符合经典系统的统计力学定律。但当量子热机被提出后，情况再次变得有争议。热力学物理学家和信息理论家就可行的解释争论不休，物理模型的最新结果，可能会把不同的论点结合在一起。新加坡国立大学的博士生Stella Seah解释说：我们想展示信息科学和热力学之间的联系。Seah与Stefan Nimmrichter和Valerio Scarani一起在马克斯·普朗克光科学研究所和新加坡国立大学工作。
量子争论
通过用“较小的麦克斯韦妖”对一个物理系统进行建模，而这个“小麦克斯韦妖”对系统的访问是有限的。所以就能够显示出熵的增加来自哪里，以及熵是否会导致所谓的量子熵或真正功的产生。在量子系统中，测量可以改变系统的状态，这就是热力学第二定律的含义所在。如果测量与量子系统不兼容，即量子物理学家会将其描述为不可交换的哈密顿量，那么测量就会引入能量。
这种能量的变化应该被描述为“做功”还是“量子熵”仍然是一个棘手的问题。有些人会争辩说：通过重复测量，热量就会消散，能量是被动的，不能被利用，而且在任何情况下，将测量视为只作用于系统的耗散通道都是错误的，忽略了测量仪器。虽然关于这个话题的争论，经常占据信息论和热力学抽象的抽象领域，但Seah、Nimmrichter和Scarani热衷于开发一种更务实的方法。他们考虑了一个量子比特与热库接触的系统，该系统可以将其提升到激发状态。
两个麦克斯韦妖中较小的一个
量子比特耦合到指针，该指针根据量子比特的内部状态宏观地移动位置。Seah建议把指针想象成弹簧，或者可能是量子阱中振荡的分子，在量子阱中最小能量的位置会根据量子位状态的不同而变化。这个系统与麦克斯韦妖通常遇到的场景的关键区别在于，麦克斯韦妖只能访问有关指针的信息。使用该模型，Seah，Nimmrichter和Scarani揭示，有了这个较小的麦克斯韦妖，系统可以实现测量反馈。
如量子比特上的Rabi自旋翻转，这将被定义为有用的功，以及其他熵的增加，可以被描述为量子加热。这个模型似乎在一个已经进行了几十年的争论上取得了重大进展，但Seah说：对得出这个结果并不真的感到惊讶。吃惊的是，当发现如果使用宏观指针，会从微观指针得到不同的行为。使用第二个量子比特作为模型中的指针，产生了熟悉的奥托循环的热力学行为：
（上图所示）限制麦克斯韦妖的能力，有助于调和围绕量子热机的一些争论。图片：Stella Seah et al
即描述了工业革命中的一些第一批机械发动机是如何运行的。只有当指针的位置移动大大高于热波动时，测量才会以一种定义为已完成功的方式增加熵。此外，与经典热机不同，不需要做出不同的笔划。可以随机地进行测量，所有的事情都会持续、良好和顺利地发生。接下来，研究人员感兴趣的是：考虑特定状态（其中可能存在纠缠或假设）会发生什么，以及那里是否可能存在任何量子优势。
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参考期刊《arXiv》《物理评论快报》
Cite: arXiv:1908.10102
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