本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
量子力学是人类已知的对自然界最成功的描述，但它对我们理解世界有着许多奇怪的含义。存在叠加现象（物体同时处于两个位置）、纠缠现象（相关性超过任何经典相关性）和非定域性现象（信息似乎能够瞬间跨越遥远的距离）。正如我在六月刊《大众科学》中的封面故事中讨论的那样，这些奇特之处不仅限于亚原子领域，而且也挑战了我们对日常世界的概念。现在，在《自然》杂志上发表的一篇论文中，我和来自瑞士和新加坡的同事一起，发现了量子物理学的另一个违反直觉的后果。
任何使用过计算机的人都知道，我们使用计算机越多，它就越热。物理学家罗尔夫·兰道尔认为，这必然如此，并将这一观察提升到一个原则的高度。该原则指出，为了擦除一位信息，我们需要将环境的熵至少增加相同的量。换句话说，我们需要向环境中散发至少一位的热量（这正好等于熵的位乘以环境温度）。
自兰道尔在 60 年代初提出以来，兰道尔的擦除原则在物理学界一直存在争议。它是一条新的物理定律，还是仅仅是一些已存在定律的推论？我们的新论文认为，在量子物理学中，实际上可以同时擦除信息并冷却环境。对于许多物理学家来说，这无异于说永动机是可能的！使得这一切成为可能的是纠缠，但请不要让我跑题太远。我将首先通过向您介绍更多关于兰道尔的背景来铺垫一下。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过 订阅来支持我们屡获殊荣的新闻报道。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
兰道尔始终强调，不存在脱离具体存在的抽象信息。信息位需要被编码到真实的物理系统中，因此必须符合这些系统所遵循的物理定律。在兰道尔的擦除案例中，我们谈论的定律是（臭名昭著的）热力学第二定律。第二定律指出，封闭系统中的无序度大多会增加，最多保持不变。兰道尔认为，擦除信息和产生热量之间的联系是第二定律的结果。这听起来很合理，事实上，他的同事查尔斯·贝内特在 70 年代后期证明，如果您可以在不产生热量的情况下擦除信息，则可以构建第二类永动机。因此，贝内特表明，否定兰道尔的原则意味着否定第二定律，这（对于熟悉基本逻辑定律的人来说）与说第二定律意味着兰道尔的擦除是相同的。贝内特和兰道尔就此主题为《大众科学》撰写了一篇经典文章。
那么争议在哪里呢？争议来自于询问兰道尔的原则是否也意味着第二定律。如果真是这样，那么两者将是等价的，因为每一个都意味着另一个。一些作者甚至谈论了兰道尔的原则可能比第二定律更强的可能性。
现在，我和我的同事在兰道尔的故事中发现了一个额外的转折。正如我之前所说，在量子物理学中，您可以擦除信息，但是您不是向环境增加热量，而是可以实际将其带走！这听起来好像与兰道尔的原则相矛盾。更令人担忧的是，由于我们论证了它与第二定律的等价性，这将意味着量子物理学与第二定律相矛盾。量子物理学似乎允许我们两者兼得，它允许我们擦除信息并同时冷却环境。
但是，幸运的是（对于那些想发明永动机的人来说却不是这样），事实并非如此。兰道尔的见解仍然正确，擦除信息会增加环境的熵。拯救第二定律的是，在量子物理学中，熵实际上可以是负的。增加负熵与减去熵相同。其背后的关键现象是所有量子现象中最怪异的现象，即纠缠。
为了理解纠缠与负熵之间的联系，我们必须回到薛定谔对纠缠的观点。当两个系统纠缠在一起时，我们对它们的联合状态有完整的了解，但对它们的个体状态没有任何了解。如果我们正在擦除状态，作为一个整体，我们不需要产生熵（因为该状态的熵为零），但是如果我们分别擦除子系统，则每个子系统都将有助于熵的产生。全局擦除和局部擦除之间的差异是负熵。换句话说，如果我们必须擦除一些信息，则了解此信息是否来自与另一个系统的纠缠会有所帮助。然后，通过在擦除中调用另一个系统，我们实际上可以擦除，并且环境可以损失熵。
因此，当允许纠缠时，兰道尔的擦除获得了一个新的维度，但即便如此，它仍然完全符合第二定律。无论好坏，即使在纠缠和量子物体负熵的量子魔力的全力帮助下，整个宇宙的熵仍然无法减少。
如果这一切看起来令人困惑，那确实如此！这是非常微妙的物理学，即使是杰出的物理学家，也很少有人能立即理解它。如果您在下面提出您的问题，我将尽力回答它们。
我们的结果的含义对于超快和超高效计算机可能很重要。当前的计算机每个计算步骤会浪费约 10,000 个热量单位。如果我们能够以某种方式控制和操纵微处理器和计算机内存之间的纠缠，那么我们可以擦除计算以为新的计算腾出空间，但保持环境凉爽——我们将处于物理上允许的边界。目前，这确实很难做到，但是谁能预言量子技术已经取得的快速进展呢？
图片由詹妮·霍根提供，量子技术中心