王晉嵐

芬蘭物理學(xué)家佩科拉（J.P.Pekola）研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了單電子麥克斯韋妖，英國(guó)物理學(xué)家達(dá)爾斯特（O.Dahlste）及其合作者在牛津大學(xué)成功實(shí)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(huì)減少。1867年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋提出一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)被稱作“麥克斯韋妖”實(shí)驗(yàn)。麥克斯韋妖的出現(xiàn)帶來了物理觀念上的眾多新認(rèn)識(shí)，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(jià)——妖需要對(duì)氣體分子的速度進(jìn)行測(cè)定與記憶，隨著氣體分子信息的積累，妖的“內(nèi)存”終會(huì)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(duì)其做功。這一想法證實(shí)熱力學(xué)第二定律的同時(shí)，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(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，如今麥克斯韋妖已經(jīng)從理論設(shè)想變成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)。佩科拉研究組通過集成在同一電路中的兩個(gè)電容性耦合的單電子器件實(shí)現(xiàn)了可以自發(fā)執(zhí)行操作的單電子麥克斯韋妖實(shí)驗(yàn)。為了模擬熱力學(xué)系統(tǒng)（容器），研究人員設(shè)計(jì)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(gè)金屬電極相連接，通過隧穿效應(yīng)，電子可以進(jìn)入或離開金屬島。“熱力學(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(shí)現(xiàn)電容性耦合。通過對(duì)勢(shì)壘的調(diào)節(jié)以及電路反饋機(jī)理，妖可以對(duì)進(jìn)入和離開金屬島的電子進(jìn)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(jìn)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(jià)，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(shí)驗(yàn)工作加深了人們對(duì)信息熵的認(rèn)識(shí)。單電子麥克斯韋妖的實(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)現(xiàn)提供了另一途徑，達(dá)爾斯特研究組設(shè)計(jì)出用于研究熱力學(xué)與信息關(guān)系的光學(xué)平臺(tái)，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(cè)器和前饋操作來實(shí)現(xiàn)妖的功能——光電探測(cè)器可以測(cè)量每個(gè)脈沖的強(qiáng)弱，前饋操作用于控制強(qiáng)、弱脈沖的前進(jìn)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(qiáng)弱不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電容的充電。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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。