绝对零度是可以达到的？科学家们找到了热力学第三定律的量子公式

当许多量子粒子相互作用时，可以形成复杂的系统。而这种复杂性允许达到绝对零度的温度--至少在原则上。信用: IQOQI/ÖAW

维也纳大学的一组研究人员最近探讨了热力学第三定律与量子物理学原理的兼容性。他们成功地制定了该定律的"量子版"，该定律认为达到绝对零度在理论上是可能的。然而，任何实现这一目标的可行方法都需要三个组成部分：能量、时间和复杂性。只有在这些元素之一可以无限供应的情况下才能达到绝对零度。

信息和热力学：一个明显的矛盾

当量子粒子达到绝对零度时，它们的状态是确切知道的：它们被保证处于能量最低的状态。然后，粒子不再包含关于它们之前处于何种状态的任何信息。粒子之前可能发生的一切都被完美地抹去了。从量子物理学的角度来看，冷却和删除信息因此是密切相关的。

在这一点上，两个重要的物理理论相遇了： 信息理论和热力学。但这两者似乎是相互矛盾的："从信息理论中，我们知道所谓的兰道尔原理。它说删除一个比特的信息需要一个非常具体的最小能量，"来自维也纳工业大学原子研究所的马库斯-胡贝尔教授解释说。然而，热力学说认为需要无限量的能量才能将任何东西完全冷却到绝对零度。但是，如果删除信息和冷却到绝对零度是同一件事--这又是怎么一回事？

能量、时间和复杂性

这个问题的根源在于，热力学是在19世纪为经典物体--蒸汽机、冰箱或发光的煤块--制定的。在那个时候，人们对量子理论一无所知。如果我们想了解单个粒子的热力学，我们首先必须分析热力学和量子物理学是如何相互作用的--而这正是马库斯-胡贝尔和他的团队所做的。

"我们很快意识到，你不一定要用无限的能量才能达到绝对零度，"马库斯-胡贝尔说。"用有限的能量也是可能的--但这样你就需要无限长的时间来完成。"

到此为止，这些考虑仍然与我们从教科书中了解到的经典热力学相符。但随后该团队又遇到了一个至关重要的细节：

"我们发现，可以定义量子系统，使绝对基态即使在有限的能量和有限的时间内也能达到--我们都没有想到这一点，"马库斯-胡贝尔说。"但这些特殊的量子系统有另一个重要的属性：它们是无限复杂的。因此，你需要对量子系统的无限多的细节进行无限精确的控制--那么你就可以在有限的时间内用有限的能量将一个量子物体冷却到绝对零度。当然，在实践中，这和无限高的能量或无限长的时间一样是无法实现的。"

擦除量子计算机中的数据

"因此，如果想在量子计算机中完美地擦除量子信息，并在这个过程中把一个量子比特转移到一个完全纯净的基态，那么理论上需要一个无限复杂的量子计算机，可以完美地控制无限多的粒子，"马库斯-胡贝尔说。然而，在实践中，完美是没有必要的--没有机器是完美的。量子计算机能相当好地完成其工作就足够了。因此，新的结果在原则上并不是发展量子计算机的障碍。

在量子技术的实际应用中，温度在今天起着关键的作用--温度越高，量子态就越容易被打破，变得无法用于任何技术用途。这正是更好地理解量子理论和热力学之间的联系的重要原因。"目前在这个领域有很多有趣的进展。慢慢地，我们有可能看到物理学的这两个重要部分是如何交织在一起的。"