相關(guān)性可以說是代表不同系統(tǒng)之間共享的信息

熱量從熱物體流向冷物體。當(dāng)熱和冷體熱接觸時，它們交換熱能直到達(dá)到熱平衡，熱體冷卻下來，冷體升溫。這是我們一直經(jīng)歷的自然現(xiàn)象。熱力學(xué)第二定律解釋了這一點(diǎn)，它表明孤立系統(tǒng)的總熵總是趨于隨著時間的推移而增加，直到達(dá)到最大值。熵是系統(tǒng)中病癥的定量測量。孤立的系統(tǒng)自發(fā)地演變?yōu)樵絹碓綗o序的狀態(tài)和缺乏分化。

巴西物理研究中心(CBPF)和聯(lián)邦大學(xué)ABC(UFABC)的研究人員以及巴西和其他地方其他機(jī)構(gòu)的合作者進(jìn)行的實(shí)驗表明，量子相關(guān)性影響熵的分布方式在熱接觸的部件之間，扭轉(zhuǎn)所謂的“熱力學(xué)時間箭頭”的方向。

換句話說，熱量可以自發(fā)地從冷物體流到熱物體，而不需要在家用冰箱所需的過程中投入能量。一篇描述實(shí)驗與理論考慮的文章剛剛在Nature Communications上發(fā)表。

該文章的第一作者Kaonan Micadei完成了他的博士學(xué)位。在Roberto Serra教授的監(jiān)督下，現(xiàn)在正在德國從事博士后研究。Serra也是該文章的作者之一，得到了FAPESP通過巴西國家科學(xué)技術(shù)研究所量子信息的支持。FAPESP還向另一位合著者，圣保羅大學(xué)物理研究所(IF-USP)教授Gabriel Teixeira Landi頒發(fā)了兩項與該項目相關(guān)的研究經(jīng)費(fèi)。

“相關(guān)性可以說是代表不同系統(tǒng)之間共享的信息。在經(jīng)典物理學(xué)描述的宏觀世界中，從外部添加能量可以逆轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的熱量流動，使其從冷到熱流動。這就是發(fā)生的事情。例如，在普通的冰箱中，“塞拉告訴AgênciaFAPESP。

“可以說，在我們的納米級實(shí)驗中，量子相關(guān)產(chǎn)生了與增加能量相似的效果。流動的方向被顛倒而不違反熱力學(xué)第二定律。相反，如果我們考慮到信息的要素在描述熱傳遞的理論中，我們找到了第二定律的一般形式，并證明了量子相關(guān)在過程中的作用。“

用含有碳-13同位素的氯仿分子(氫原子，碳原子和三個氯原子)樣品進(jìn)行實(shí)驗。將樣品稀釋在溶液中并使用核磁共振光譜儀進(jìn)行研究，類似于醫(yī)院中使用的MRI掃描儀，但具有更強(qiáng)的磁場。

“我們研究了氫和碳原子核自旋的溫度變化。氯原子在實(shí)驗中沒有任何物質(zhì)作用。我們使用射頻脈沖將每個原子核的自旋放置在不同的溫度，一個冷卻器，另一個溫度差異很小，約為1開爾文的十億分之幾，但我們現(xiàn)在擁有的技術(shù)使我們能夠極其精確地操縱和測量量子系統(tǒng)。在這種情況下，我們測量了由此產(chǎn)生的射頻波動。原子核，“塞拉說。

研究人員探討了兩種情況：一種是氫和碳核開始不相關(guān)的過程，而另一種情況下，它們最初是量子相關(guān)的。

“在第一種情況下，由于核不相關(guān)，我們觀察到熱量在通常的方向上流動，從熱到冷，直到兩個核處于相同的溫度。在第二種情況下，核與初始相關(guān)，我們觀察到熱量在相反的方向，從寒冷到炎熱。效果持續(xù)了幾千分之一秒，直到最初的相關(guān)性被消耗，“塞拉解釋說。

這個結(jié)果最值得注意的方面是它提出了一種量子制冷過程，其中外部能量的增加(如在冰箱和空調(diào)中所做的那樣，以冷卻特定環(huán)境)可以用相關(guān)性代替，即信息交換。對象之間。

麥克斯韋的惡魔

在信息理論被發(fā)明之前很久，信息可用于逆轉(zhuǎn)熱流的方向 - 換句話說，導(dǎo)致熵的局部減少 - 在十九世紀(jì)中期出現(xiàn)在經(jīng)典物理學(xué)中。

這是1867年James Clerk Maxwell(1831-1879)提出的一個思想實(shí)驗，其中包括創(chuàng)造了著名的經(jīng)典電磁方程。在這個引發(fā)當(dāng)時激烈爭論的思想實(shí)驗中，偉大的蘇格蘭物理學(xué)家說，如果有一個人能夠知道每個氣體分子的速度并且能夠在微觀尺度上操縱所有分子，那么就可以將它們分成兩個接收者，將比平均值更快的分子放在一個中以形成一個熱隔間，而在另一個中創(chuàng)建一個比平均值更慢的分子來形成一個冷隔間。以這種方式，由于較快和較慢分子的混合物而最初處于熱平衡的氣體將演變成具有較少熵的分化狀態(tài)。

麥克斯韋希望通過思想實(shí)驗證明熱力學(xué)第二定律僅僅是統(tǒng)計學(xué)的。

“他提出的能夠在分子或原子尺度上干預(yù)物質(zhì)世界的人，被稱為”麥克斯韋的惡魔。“這是麥克斯韋發(fā)明的一個小說來表達(dá)他的觀點(diǎn)。但是，我們現(xiàn)在實(shí)際上能夠以原子甚至更小的尺度運(yùn)作，以便改變通常的期望，“塞拉說。

Serra和合作者進(jìn)行的實(shí)驗以及剛剛發(fā)表的文章中描述的實(shí)驗證明了這一點(diǎn)。當(dāng)然，它沒有重現(xiàn)麥克斯韋的思想實(shí)驗，但它產(chǎn)生了類似的結(jié)果。

“當(dāng)我們談?wù)撔畔r，我們并不是指無形的東西。信息需要物理基板，存儲器。如果你想從閃存驅(qū)動器中擦除1位存儲器，你必須花費(fèi)10,000倍的最小能量由玻爾茲曼常數(shù)乘以絕對溫度組成。擦除信息所需的最小能量被稱為Landauer原理。這就解釋了為什么擦除信息會產(chǎn)生熱量。筆記本電池被熱量消耗得更多，“塞拉說。

研究人員觀察到的是，量子相關(guān)中存在的信息可用于執(zhí)行工作，在這種情況下，熱量從較冷的物體傳遞到較熱的物體，而不消耗外部能量。

“我們可以通過比特量化兩個系統(tǒng)的相關(guān)性。量子力學(xué)和信息理論之間的聯(lián)系正在創(chuàng)造所謂的量子信息科學(xué)。從實(shí)際的角度來看，我們研究的效果有一天可以用來冷卻一部分量子計算機(jī)的處理器，“塞拉說。