麦克斯韦妖，詹姆斯•克拉克•麦克斯韦于1871年在对经典热力学第二定律意义的反思中构想出来的，从此在物理学家中引起了争论。现在，俄罗斯、瑞士和美国的研究人员已经为“妖一号”的量子版本制定了一个设计方案，他们相信，这可能在纳米尺度的量子计算和温度控制（phs）中有一些有趣的应用。

提出的“量子麦克斯韦妖”可以允许远程改变量子比特量子态而不影响量子比特的能量。 [图片：@ tsarcyanide / MIPT新闻办公室]

正如设想的那样，该团队的“扩展量子麦克斯韦妖”将在长达5米的距离内，允许混合量子态的量子位被低熵纯态量子位替换，而能量没有变化。 但不要担心：热力学第二定律仍然很有用。

微观恶作剧

麦克斯韦著名的思想实验中的妖是一个虚构的，非常小的人，在热平衡的盒子里他在两个封闭的气体储热器之间操作一个微小的活板门。 当妖看到一个气体分子的行进速度快于接近门的左侧储热器的平均速度时，它打开门并让快速分子通过右侧储热器，然后关上门。 同样的，妖优先允许来自右侧储热器的速度低于平均速度的分子进入左侧。 随着时间的推移，热量从越来越冷的储热器稳定地转移到越来越热的储热器，没有消耗额外能量 - 明显违反热力学第二定律。

多年来，麦克斯韦妖结构在热力学和信息论上引起了非常富有成效的讨论，大多数科学家认为这个悖论可以解决。经过一个多世纪的争论，物理学家们普遍得出结论：妖所需要的观察、信息处理和记忆的行为会导致妖内部的熵增加，这需要被视为系统总体熵预算的一部分。因此，第二定律仍然有效。

妖的量子性

俄罗斯莫斯科物理与技术研究所（MIPT）、瑞士苏黎世ETH和美国阿贡国家实验室的研究人员现在提议将麦克斯韦妖的概念扩展到量子领域，以控制量子比特或信息比特。他们的设计假设两个超冷超导量子比特由沉积在硅片上的铝薄膜制成，电容性耦合1至5米的同轴微波电缆，冷却到几开尔文的温度。一个量子位，即“目标”量子位，开始于一个混合的或不纯的量子态；另一个量子位，即“妖”量子位，处于一个较低的熵纯态或叠加态。

作者认为，这种连接方式产生了一个“iswap”量子门，通过虚拟光子的交换，妖量子比特的纯态与目标量子比特的混合态交换。因此，在不改变量子比特的能量状态的情况下，能量孤立目标量子比特的熵会减小。虽然这种设置似乎在局部违反了热力学第二定律，信息论再次拯救了这个问题：因为量子妖需要在每次相互作用之前初始化它的量子比特，熵在全球范围内增加。

该研究小组的计算表明，如果传输电缆在几开尔文的温度下工作，熵交换可以在1到5米范围内进行。这一距离“对于量子力学来说是巨大的”，正如该论文的主要作者、MIPT的安德烈•莱比德夫和苏黎世ETH在一份随行的新闻稿中所指出的。而且，虽然单开尔文数的温度看起来很冷，但与超导量子位本身相比，它是滚烫的，而超导量子位本身必须要冷几个数量级。

计算和纳米制冷

虽然目前该方案主要是纸面上的，但它不需要新技术，研究团队正在实施进行一项实验。此外，尽管麦克斯韦妖结构给了这一提议一个明确的理论解释，作者还是看到了一些非常实际的应用。一个是在量子计算领域这样的应用，在这个领域中，在不影响目标量子比特能量的情况下，利用电磁场将目标量子比特的状态从远处切换到另一个位置的能力可能非常有用。

更奇特的应用可能与温度控制有关。合著者Gordey Lesovic在一份新闻稿中解释说，由于量子比特熵的变化可能导致其直接环境的冷却，该系统可以充当一个“纳米冰箱”，其目标可能是非常特殊的纳米级分子部分。科学家们称，反向运行该系统将使其也能作为一种高目标的纳米加热器发挥作用。

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