怎样才能实现绝对零度？

本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：小雨，题图来自：《后天》

绝对的最低温度是-273.15摄氏度，也就是所谓的绝对零度。这是一个我们只能尽力接近，但永远无法真正达到的温度。根据热力学第三定律，要想把任何系统完全冷却到绝对零度是不可能的，只能无限接近。

那么，这个定律要如何与量子物理的法则相协调？在一项新的研究中，一个国际物理学家团队对这个问题展开了探讨，并发展了热力学第三定律的“量子版本”。

一个显而易见的矛盾

当量子粒子的温度达到绝对零度时，它们的状态是精确已知的：处于绝对的最低能量状态，而且不再含有任何关于它们之前处于什么状态的信息。换句话说，在它们身上发生过的一切，都将被完全擦除。因此，从量子物理学的角度，冷却系统与删除信息这两件看似完全不同的事，实则紧密地交织在一起。

这样一来，信息论与热力学，这两个重要的物理学理论便相遇了。然而，它们是相互矛盾的。在信息论中，朗道尔原理表明，任何对信息的不可逆操作，比如删除一比特信息，都会不可避免地造成热量的产生。更具体地说，要删除一比特信息，至少要消耗k_BTlog(2)个单位热量。在热力学中，能斯特的“不可达性原理”表明，根据热力学第三定律，要将任何系统冷却到绝对零度的温度，将需要消耗无限的能量。

如果删除信息和冷却到绝对零度是一回事，那么朗道尔原理与不可达性原理要如何融合在一起？

能量、时间、复杂性

热力学是在19世纪为蒸汽机、冰箱或发光的煤块等经典物体制定的。那时，人们对量子理论还一无所知。为了解单个粒子的热力学，在新研究中，物理学家对热力学与量子物理是如何相互作用的展开了探讨。

我们在前面已经提到，根据能斯特的“不可达性原理”，要将一个系统冷却到绝对零度，需要使用无限的能量才可能做到。在新研究中，研究人员很快意识到，这并不是唯一的方法：用有限的能量、无限长的时间，也有可能实现绝对零度。

到目前为止，所有的考虑尚没有超越经典热力学的范畴。但随后，研究人员发现了一个意料之外的重要细节。他们发现，量子系统能够以一种允许在有限能量、有限时间内达到绝对基态的方式被定义。但这些特殊的量子系统具有的一个重要特性是：它们的复杂性是无限的。所以，如果可以无限精确地控制量子系统中的无限多个细节，就可以用有限的能量、在有限的时间内，将一个量子系统冷却到绝对零度。

当许多量子粒子相互作用时，可以形成复杂的系统。新研究发现，理论上，这种复杂性有可能使其达到绝对零度。

换句话说，实现绝对零度这一壮举的“配方”需要三个“成分”：能量、时间、复杂性，只要能够无限地拥有其中之一，就能达到绝对零度。

非必须的完美

当然，在实践中，无限的复杂性与无限的能量或时间是一样的，它们同样都不可能实现。它意味着，如果想要在量子计算机中完美地删除量子信息，并在这个过程中将量子比特转移到完美的、纯粹的基态，那么理论上就需要一台无限复杂的量子计算机，它可以完美地控制无限数量的粒子。现实世界不存在这样的完美机器。

不过，研究人员表示，这种完美并不是必要的。一台量子计算机足以很好地完成它的工作，这些新的结果在理论上并不会阻碍量子计算机的发展。但是，更好地理解量子理论和热力学之间的联系是非常重要的。因为在量子技术的实际应用中，温度正在起着越来越关键的作用——温度越高，量子态就越容易受损，变得无法用于任何技术应用。

研究人员指出，这一领域正在出现很多有趣的进展，见证物理学中的这两个重要部分是如何交织在一起的，将逐渐成为可能。

参考来源：

https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news/der-absolute-nullpunkt-im-quantencomputer

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.4.010332

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