量子计算机可制冷——量子纠缠中的“熵”可同时描述信息论和热力学

　　计算机工作时，它们消耗的能量最终变成了热。从放置膝盖的便携电脑到屋子里的超大计算机，人们都能感到它们在散热。这些热并非全都由硬件的运作所产生，处理信息也要耗费能量而发热。但令人惊讶的是，理论物理学家最近发现，在特定情况下，计算过程不仅不会发热，甚至还会制冷。他们的研究发表在最新一期的《自然》杂志上。

　　删除信息或能制冷



　　“虽然我们能在量子水平实现这种控制，但在超大计算机上能否实现还是个巨大挑战，但也并非不可能，过去20年里量子技术已经取得了巨大进步。”维德罗表示，根据目前量子物理实验室的技术，用几个比特的数据进行理论性证明的实验还是可能的。

　　量子纠缠扭曲兰道尔原理


　　如果要删除的比特值是已知的，也就是说当存储的内容是已知的，就是以一种理论上能再生的方式来删除这些数据内容，按照兰道尔原理这是可能的。而此前有研究证明这种可逆删除不会产生热。
 
　　更进一步考虑，当要删除的数据内容和观察者处于量子纠缠的状态，那么观察者在删除这些数据时，就能从系统中吸收热量。量子纠缠将观察者的状态和计算机的状态联在了一起。在这种方式下，他们知道的存储内容比在经典物理学中更多。

　　两门学科“熵”相通


　　雷内说：“而我们同时面对着这两种情况。即在量子力学的理论框架下，熵的概念同时描述了这二者。看起来两个熵的公式是一样的，人们也假定它们之间有关联。按照我们的研究，在两种情况下，熵可以看作是一种相对的‘知识贫乏’态。在测量这种熵的时候要秉承一个宗旨，即物体本身从本质上说并没有一定数量的熵，物体的熵总是依赖于观察者。”

　　还以删除数据为例，如果两个人分别删除一个内存中的数据，其中一人对这些数据知道的更多，她会觉得这个内存的熵更低，删除该内存所用的能量更少。在经典物理中，一个系统的理想状态是观察者认为它的熵是零，这表示观察者记忆的内容和系统内存中的内容完全一致，这才符合经典物理学。由于量子相关比经典相关更强，在量子纠缠中给了观察者多于整体系统的更多知识，导致了熵值小于零。

　　不发会热反能制冷

　　熵在量子物理学中有着不寻常的性质。但从信息论角度来计算时，人们往往忽略了这一点。虽然理论物理学家在计算中已经使用了负熵，却并不理解它在热力学中或实验中的含义。
 
　　在经典物理的例子中，计算机内存是零熵，删除数据在理论上根本不需要耗能。而在量子纠缠和记忆（负熵）造成的“多出知识”，导致在删除数据的过程中，伴随着从计算机中清除了它因耗能而释放的热量。这正是负熵的物理含义。
 
　　尽管如此，“这并不意味着我们能开发出一种永动机”。雷内强调，数据只能被删除一次，所以不可能持续产生能量。而这一过程也破坏了纠缠，会带来能量输入将系统重置为初始状态。这并没有违背热力学第二定律，也就是说宇宙中的熵不会减少（不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零）。“我们正处在第二定律的边缘，如果你再进一步，就会打破它。” 维德罗说。
 
　　熵的概念在热力学和信息论中虽不相同，却基本相通。它的用途远不止于计算电脑的发热量。比如，人们在信息论中处理熵的方法，很可能导致热力学的革新。

　　在很大范围上，“熵”的含义在“信息论”和“热力学”两门学科中互相独立。在信息论中，熵用来衡量信息密度的平均信息量，比如可以用它来描述一条数据经最佳压缩后所占的存储容量。而在热力学中，熵描述了系统的混乱程度，如气体中的分子排列，熵值增加相当于热能增加。 　　

        物理学家罗尔夫·兰道尔在1961年计算出，在删除信息过程中要消耗能量，并以热的形式释放出来。而计算机每秒钟要进行大量的数学运算，按兰道尔原理意味着将产生大量的热。虽然在目前的超大计算机中，硬件运转产生的热量太过明显掩盖了这种兰道尔“删除热”，但雷内认为，在下个10年到20年，“删除热”将变得更关键。理论上讲，删除10兆兆数据产生的热量还不到1焦耳，但如果每秒都要大量地重复这一删除过程的话，热量就会逐渐积累起来。 　　

        最近，瑞士苏黎世联邦理工学院教授雷纳托·雷内和新加坡国立大学与英国牛津大学量子技术中心韦拉科·维德罗共同进行了一项研究，证明了在量子纠缠状态下删除数据，反而会出现致冷效果。利用这一点，有望给超大计算机的运转发热降温。