物理学家发明测量“量子特征”的温度计

物理学中看似易懂的热力学第二定律指出，热量会自发从高温物体流向低温物体。但巴西物理学家亚历克斯桑德雷·德·奥利维拉·朱尼尔等人的研究表明，这一认知在量子世界并不完全适用。

我们以咖啡馆里的热咖啡和冷牛奶为例：经典情况下，热量会如1850年鲁道夫·克劳修斯提出的那样，从咖啡流向牛奶。然而，德·奥利维拉解释，量子力学规律能让热量“反向流动”——从低温物体流向高温物体。不过这并非第二定律失效，克劳修斯的描述只是量子物理更完整表述的“经典极限”。

二十多年前，物理学家开始关注这种量子微妙性，探索热力学第二定律的量子版本。如今，丹麦技术大学博士后德·奥利维拉与同事发现，量子尺度下的“反常热流”有巧妙用途：它能作为检测“量子性”的简易方法。比如，判断物体是否处于多种可能观测状态的量子“叠加态”，或两个物体是否处于状态相互依存的“纠缠”状态，且不会破坏这些脆弱的量子现象。这种诊断工具可用于确认量子计算机是否真的利用量子资源进行计算，甚至可能帮助探测引力的量子特性——这是现代物理学的重要目标之一。

研究人员表示，只需将量子系统与一个能存储其信息的次级系统、以及一个能吸收大量能量的“热库”相连。在这种设置下，热量向热库的传递会超过经典物理允许的限度。通过测量热库的温度，就能检测到量子系统中叠加态或纠缠的存在。

抛开实际应用，这项研究还揭示了热力学的深层真相：物理系统中热量和能量的转化与传递，与系统的信息（即我们对系统的已知或可知内容）密切相关。在反常热流中，我们是以牺牲量子系统的存储信息为“代价”的。

这种热力学量与量子现象的关联可追溯至19世纪。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦曾设想一个“麦克斯韦妖”——能观察气体分子运动，通过选择性开关活门，将快分子和慢分子分别关在两个隔间，制造温差并做功，看似违背熵增原理。直到1961年，物理学家罗尔夫·兰道尔才指出，“妖”存储信息的有限内存需擦除重置，此过程会消耗能量并产生熵，且超过“妖”分类动作减少的熵，从而确立了信息与熵的等价性——信息可转化为功，这一点在2010年已被实验证实。

量子现象允许经典物理无法实现的信息处理（如量子计算、量子加密），这也让传统第二定律变得复杂。纠缠的量子物体具有“互信息”：它们相互关联，观察一个就能推断另一个的特性。但与手套（左右 handedness 事先确定）不同，纠缠粒子的观测属性在测量前是不确定的，只有测量时才能确定结果，且测量会破坏纠缠。

若气体分子纠缠，麦克斯韦妖能更高效地操控它们。例如，若“妖”知道快速分子后会紧跟着另一个快速分子，就无需观察第二个分子即可开门，降低“暂时违背”第二定律的热力学成本。2004年，布鲁克纳和韦德拉尔指出，宏观热力学测量（如热容量、磁响应）可作为量子纠缠的“见证者”。2008年，帕托维发现纠缠甚至能逆转热流方向，这是一种特殊制冷——不消耗燃料，而是“燃烧关联”（纠缠被破坏）。

如今，德·奥利维拉团队的新方案将这种原理转化为“量子性温度计”：量子系统（如量子计算机中的纠缠量子比特）连接到一个量子存储器和一个热库（两者不直接纠缠）。存储器与量子系统、热库均纠缠，能催化热量向热库的传递，超出经典限度。过程中，量子系统的纠缠转化为热库的额外热量，测量热库能量即可探测量子系统的纠缠，且不会破坏量子态（直接测量会破坏纠缠）。

牛津大学的韦德拉尔认为，这种方法简单通用，对验证量子计算机很重要——可通过热库能量变化检测量子比特的纠缠。不过需良好控制系统以排除其他热源干扰，且无法检测所有纠缠态。德·奥利维拉计划与巴西团队合作，利用氯仿分子中碳和氢原子的自旋（2016年曾用作量子比特传递热量）测试该方案，验证量子相干性（量子计算的关键）。未来，它甚至可能通过热力学测量探测引力诱导的纠缠，助力研究引力是否为量子力。