在量子多体领域探索兰道尔原理的新方法

兰道尔原理是一个热力学概念，也与信息论相关。该原理指出，从信息系统中删除一位信息会导致至少特定量（即k B T ln²）的能量耗散。迄今为止，该原理主要在经典计算机和信息处理系统中得到研究。

然而，维也纳技术大学、柏林自由大学、不列颠哥伦比亚大学、克里特大学和帕维亚大学的研究人员最近将兰道尔原理扩展到量子多体系统，即由许多相互作用的量子粒子组成的系统。

他们的论文发表在《自然物理学》上，介绍了一种可行的方法，通过实验探索量子领域中的这一关键原理，并检验基于量子热力学的理论预测。

该论文的资深作者 Jens Eisert 告诉 Phys.org：“人们早就认识到热力学和信息的概念是紧密相连的。”

“像玻尔兹曼和吉布斯这样的先驱者对我们如何利用现有的系统知识来塑造有意义的描述有着深刻的理解——这种理解后来因香农在抽象信息论中的基础性工作而更加丰富。从本质上讲，信息控制着热力学系统的行为，决定了能量是被转化为有用功还是以热量的形式耗散。”

物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦和利奥·西拉德分别在19世纪60年代和20世纪20年代进行了两项不同的思想实验，首次提出了热力学源于不完全信息的观点。这一观点最终挑战了先前的理论，概述了在关于个体获取系统中信息的一些假设性假设下出现的悖论。

Eisert 及其同事最近的研究以这些早期工作为基础，同时利用了Jörg Schmiedmayer 开发的实验平台。该平台本质上由一个原子芯片架构组成，可在连续设置下对超冷原子进行卓越的控制。

“我们的兴趣集中在信息删除和产热等概念如何在这种独特的可调谐量子态中体现，”艾瑟特说道，“这自然而然地引出了兰道尔原理。该原理认为，信息的擦除必然会导致热量向环境中耗散——这是热力学与信息之间的基本联系。”

兰道尔原理在过去已被广泛研究，因此需要在实验环境中进行验证。因此，研究人员希望进一步探索其在量子多体系统中的含义，因为这可以丰富对该原理和所研究系统的理解。

“正是基于这种理论和实验的视角，我们才着手进行研究，”艾瑟特解释道。“在我们的工作中，我们精确追踪了量子场在整体质量猝灭下的时间演化——从质量巨大的克莱因-戈登模型到质量为零的克莱因-戈登模型，这是一个典型的量子场论。我们分析了热力学和信息论对复合系统中不同系统-环境分区广义熵产生的贡献。”

窗体底端

为了在复杂的量子系统中检验兰道尔原理，艾瑟特和他的同事们采用了一个量子场模拟器，该系统可以用来模拟量子力学引导的粒子和场的行为。他们的模拟器依赖于超冷玻色气体原子，这些原子在冷却到绝对零度附近时会表现出类似于量子系统的行为。这项研究的实验工作是在维也纳工业大学约尔格·施密德迈尔领导的一个领先实验室进行的。

值得注意的是，该团队的量子模拟结果与基于量子场论的预测相一致。量子场论是一个基于量子力学定律描述粒子和场行为的框架。为了解释他们的发现，研究人员将经典物理理论与量子修正相结合，从而采用了一个半经典准粒子框架。

“从方法论上讲，这得益于我们共同开发的动态断层扫描重建方案，该方案利用选定的时间演化实例来获取和重建原本不相容的量子属性，”艾瑟特说道。“我们的研究首先帮助我们更好地理解兰道尔原理如何在量子场论背景下体现，成为关于自然的基本洞见。”

“然而，从技术角度来说，它有助于我们更好地理解这个实验平台，以便将其进一步发展为在量子力学范围内或接近量子力学范围内运作的热力学引擎。”

这项研究凸显了基于超冷原子的量子模拟器在探索量子热力学概念方面的潜力。未来，它或许能启发其他研究团队开展类似的实验，最终为新型量子处理器和其他量子技术的开发提供参考。

“我们现在想一起更好地探索这个平台，把它发展成一台热机，观察纠缠和量子关联的运作，”艾瑟特补充道。“这是一个令人着迷的试验场。”

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