“恶魔”可以帮助创造量子计算机吗？

图片来源：宾夕法尼亚州Weiss实验室
减少随机半填充的5x5x5原子晶格中的熵。每行显示晶格中5个平面的快照。顶行显示了125个可能位点的3D阵列中原子的初始随机分布。第二行显示第一次排序后的原子分布，第三行显示第二次排序后的分布，此时目标5x5x2子格子完全填充。该过程将系统中的熵减少约2.4倍。
在超冷激光捕获原子的三维晶格中降低熵可以帮助加快创建量子计算机的进程。宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组可以将随机分布的原子阵列重新组织成整齐有序的区块，从而发挥“麦克斯韦恶魔”的功能 - 这是19世纪70年代挑战热力学第二定律的思想实验。有组织的原子块可以构成量子计算机的基础，该计算机使用不带电的原子来编码数据并执行计算。
“ 传统计算机使用晶体管将数据编码为可以处于两种状态之一的位 - 零或一，”宾夕法尼亚大学物理学教授，研究团队负责人David Weiss说。“我们正在设计使用原子作为"量子比特"或"量子比特"的量子计算机，它可以基于量子力学现象对数据进行编码，使它们能够同时处于多个状态。将原子组织成一个打包的3D网格使我们能够适应大量原子进入一个小区域，使计算更容易，更有效。热力学第二定律指出，系统的熵 - 有时被认为是无序 - 不能随着时间的推移而减少。该法律的一个后果是它排除了永动装置的可能性。大约在1870年，James Clerk Maxwell提出了一个思想实验，其中恶魔可以打开和关闭两个气室之间的一个门，允许更温暖的原子在一个方向上通过，而较冷的原子在另一个方向上通过。这种不需要能量输入的分选将导致系统中的熵减小以及两个腔室之间的温差，其可以用作热泵来执行工作，因此违反了第二定律。
“后来的研究表明，恶魔实际上并没有违反第二定律，后来又有许多尝试设计像恶魔一样的实验系统，”韦斯说。“在非常小的尺度上已经取得了一些成功，但我们已经创建了一个系统，我们可以在其中操纵大量原子，以一种降低系统熵的方式组织它们，就像恶魔一样。”研究人员使用激光来捕获和冷却三维晶格中的原子，其中125个位置排列为5乘5乘5立方。然后，他们随机用原子随机填充晶格中大约一半的位置。通过调整激光陷阱的极化，研究人员可以单独或成组移动原子，重新组织随机分布的原子，以完全填充晶格的5乘5乘2或4乘4乘3子集。