實驗室實現(xiàn)麥克斯韋妖

王晉嵐

芬蘭物理學(xué)家佩科拉（J.P.Pekola）研究團隊在實驗室成功實現(xiàn)了單電子麥克斯韋妖，英國物理學(xué)家達爾斯特（O.Dahlste）及其合作者在牛津大學(xué)成功實現(xiàn)了光子麥克斯韋妖，相關(guān)成果分別于2015年12月30日和2016年2月1日發(fā)表于Physical Review Letters。

熱力學(xué)第二定律聲明，孤立系統(tǒng)的熵永不會減少。1867年，英國物理學(xué)家麥克斯韋提出一個思想實驗以探討熱力學(xué)第二定律的微觀基礎(chǔ)與適用邊界，這一思想實驗被稱作“麥克斯韋妖”實驗。麥克斯韋妖的出現(xiàn)帶來了物理觀念上的眾多新認識，最有影響的思想來源于蘭道爾（R.Landauer）。1960年代，蘭道爾提出，為了讓妖不依賴于外界做功而能自發(fā)地執(zhí)行所需的操作，需要付出另一代價——妖需要對氣體分子的速度進行測定與記憶，隨著氣體分子信息的積累，妖的“內(nèi)存”終會溢出，為了使工作繼續(xù)，定期清空妖的“內(nèi)存”成為必須，這便需要外界對其做功。這一想法證實熱力學(xué)第二定律的同時，也帶來了新的理念——信息是物理的，開啟了信息與能量關(guān)系的研究。

隨著理論理解的深入，以及實驗技術(shù)的進步，如今麥克斯韋妖已經(jīng)從理論設(shè)想變成實驗現(xiàn)實。佩科拉研究組通過集成在同一電路中的兩個電容性耦合的單電子器件實現(xiàn)了可以自發(fā)執(zhí)行操作的單電子麥克斯韋妖實驗。為了模擬熱力學(xué)系統(tǒng)（容器），研究人員設(shè)計了結(jié)構(gòu)精巧的單電子器件：一小塊金屬島通過超導(dǎo)結(jié)與兩個金屬電極相連接，通過隧穿效應(yīng)，電子可以進入或離開金屬島?！盁崃W(xué)系統(tǒng)器件”與電子結(jié)構(gòu)相似的“妖單電子器件”被集成在同一電路中，并實現(xiàn)電容性耦合。通過對勢壘的調(diào)節(jié)以及電路反饋機理，妖可以對進入和離開金屬島的電子進行篩選。超導(dǎo)材料的選擇避免了熱耗散，方便研究人員準(zhǔn)確地跟蹤進入和離開金屬島的能量，以及熱力學(xué)系統(tǒng)與妖之間的信息交換。研究發(fā)現(xiàn)，妖的行為導(dǎo)致了熱力學(xué)系統(tǒng)溫度的下降，但作為產(chǎn)生信息交換的代價，妖自身的溫度相應(yīng)的上升了。而且，溫度變化由兩者問交互信息的程度所決定。這一實驗工作加深了人們對信息熵的認識。單電子麥克斯韋妖的實驗實現(xiàn)得益于納電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同樣量子信息以及量子光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展出的眾多光學(xué)技術(shù)給麥克斯韋妖的實現(xiàn)提供了另一途徑，達爾斯特研究組設(shè)計出用于研究熱力學(xué)與信息關(guān)系的光學(xué)平臺，并制備出光學(xué)麥克斯韋妖。研究人員使用光脈沖替代氣體容器，而以光電探測器和前饋操作來實現(xiàn)妖的功能——光電探測器可以測量每個脈沖的強弱，前饋操作用于控制強、弱脈沖的前進方向。方向不同的兩束光分別射在不同的光電二極管上，產(chǎn)生方向相反的電流，并流向電路中的電容器件。妖的篩選使得兩束光強弱不同，從而實現(xiàn)對電容的充電。實驗表明，人們可以利用信息從熱力學(xué)系統(tǒng)提取更多的能量。

麥克斯韋妖的實驗工作為微觀尺度理解熱力學(xué)定律，定量探索信息與能量的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)，并使得進一步研究其他物理特性，如量子糾纏與熱力學(xué)定律的關(guān)系成為可能。