摘要：国际合作对量子理论与热力学之间的关系阐明了新的启示。研究小组表明，尽管仅量子理论法则并不能固有地阻止违反第二种热力学定律，但任何量子过程都可以在不实际违反法律的情况下实施。这一令人惊讶的结果表明，尽管量子理论与热力学之间存在逻辑独立性，但在量子理论与热力学之间存在和平共存。这一发现可能对理解量子技术的热力学极限（例如量子计算和纳米...

在一个开创性的发现中，日本名古屋大学和斯洛伐克科学院的研究人员揭示了对量子理论与热力学之间的相互作用的新见解。该小组表明，尽管量子理论并不能固有地禁止违反对热力学的第二定律，但可以在不实际违反法律的情况下实施量子过程。这个发现，发表在NPJ量子信息，尽管它们是合乎逻辑的独立性，但仍强调了这两个领域之间的和谐共存。他们的发现开辟了新的途径，以理解量子技术的热力学边界，例如量子计算和纳米级发动机。

这一突破有助于长期探索热力学的第二定律，这一原则通常被认为是物理学中最深刻和最神秘的原则之一。第二定律断言，熵（系统中的疾病量度）从不自发减少。它还指出，循环运行的发动机无法通过从单个热环境中提取热量来产生机械工作，并强调了单向时间流的概念。

尽管其基本角色，但第二定律仍然是科学中最辩论和误解的原则之一。这场辩论的核心是“麦克斯韦的恶魔”的悖论，这是物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于1867年提出的思想实验。

麦克斯韦（Maxwell）设想了一个假设存在 - 恶魔 - 能够在热平衡处的气体中快速而缓慢的分子对不足的能量进行排序。通过将这些分子分为不同的区域，恶魔可以产生温度差。随着系统恢复平衡，提取了机械工作，看似违反了热力学的第二定律。

悖论吸引了物理学家一个多世纪，提出了有关法律普遍性的疑问，以及它是否取决于观察者的知识和能力。悖论的解决方案主要集中在将恶魔视为受热力学定律的物理系统。提出的解决方案是擦除恶魔的记忆，这将需要花费机械工作，从而有效地抵消了对第二定律的违规行为。

为了进一步探索这一现象，研究人员开发了一个“恶魔引擎”的数学模型，该系统由麦克斯韦的恶魔提供动力。它们的方法植根于量子仪器理论，该理论是在1970年代和1980年代引入的框架，以描述量子测量的最一般形式。

该模型涉及三个步骤：恶魔测量目标系统，然后通过将其耦合到热环境中提取工作，最后通过与相同环境相互作用来擦除其内存。

使用此框架，团队得出了由恶魔所消耗的工作及其提取的工作的精确方程式，这些方程式是根据量子信息测量指标（例如von Neumann熵和groenewold-ozawa信息增益）表示的。在比较这些方程式时，它们获得了令人惊讶的结果。

该项目的首席研究员Shintaro Minagawa解释说：“我们的结果表明，在量子理论允许的某些条件下，即使考虑到所有成本，提取的工作也可以超过所花费的工作，看似违反了热力学的第二定律。” “这种启示令人兴奋，这是出乎意料的，挑战了量子理论本质上是'防魔'的假设。框架中有隐藏的角落，麦克斯韦的恶魔仍然可以发挥其魔力。”

尽管这些漏洞，研究人员强调，他们不会对第二定律构成威胁。 Hamed Mohammady说：“我们的工作表明，尽管有这些理论上的漏洞，但仍有可能设计任何量子过程，以便它符合第二定律。” “换句话说，量子理论可能会破坏热力学的第二定律，但实际上并不是这样。这在量子力学和热力学之间建立了显着的和谐：它们仍然独立，但从根本上讲是矛盾的。”

该发现还表明，第二定律并未对量子测量施加严格的限制。量子理论允许的任何过程都可以在不违反热力学原理的情况下实施。通过完善我们对这种相互作用的理解，研究人员的目标是在维护热力学的永恒原理的同时解释量子技术的新可能性。

弗朗切斯科·布西米（Francesco Buscemi）解释说：“我们在本文中显示的一件事是，量子理论在逻辑上确实独立于热力学的第二定律。也就是说，它可能仅仅是因为它根本不知道'。” “然而 - 这同样出色 - 任何量子过程都可以实现，而不会违反热力学的第二定律。这可以通过添加更多的系统来完成，直到恢复热力学平衡为止。”这项研究的含义超出了理论物理学。照明量子系统的热力学极限为量子计算和纳米级发动机的创新提供了基础。当我们探索量子领域时，这项研究提醒人们自然定律与开创性技术进步的潜力之间的微妙平衡。