▲在一個隨機半填充的5×5×5原子晶格中減少熵。第一行為原子在三維陣列125個可能位置中的初始隨機分佈。第二行為首次排序後的原子分佈。第三行為第二次排序後的原子分佈。此時，5×5×2亞晶格已被完全填滿。這個過程將系統的熵降低了2.4倍。
在由超冷激光捕獲的原子構成的三維晶格中，降低熵有助於加速量子計算機的發展。《自然》（Nature）雜誌9月6日出版的論文稱，美國賓夕法尼亞州立大學(簡稱PS)的研究人員，將隨機分佈的原子陣列重新排布成了整齊的原子塊，實現了“麥克斯韋妖”（Maxwell’s demon）的功能。麥克斯韋妖是19世紀70年代的一個思維實驗，它對熱力學第二定律提出了挑戰。由於量子計算機使用原子對數據進行編碼和運算，因此組織化的原子塊可作為製造量子計算機的基礎。
PS物理學教授、研究團隊負責人戴維•韋斯（David Weiss）說：“傳統計算機使用晶體管對數據進行二進制編碼，其狀態只有0和1。而我們正在設計的量子計算機是將原子作為‘量子位’，它可以根據量子力學現象對數據進行編碼，從而使它們能夠同時處於多種狀態。將原子組織成一個密集的3D網格，可以讓計算變得更簡單和高效。”
熱力學第二定律指出，熵是無序的，且不會隨著時間的推移而減少。熱力學第二定律排除了永動機的可能性。1870年前後，詹姆斯•克拉克•麥克斯韋（James Clerk Maxwell）提出了一個思維實驗，即著名的“麥克斯韋妖”。實驗中，溫度較高的原子朝一個方向移動，而溫度較低的原子向另一個方向移動。這種不需要能量輸入的分選，會導致系統的熵減小，由此產生的溫差可以作為熱泵做功。這個實驗似乎顯然違背了熱力學第二定律。
韋斯說：“後來的研究表明，麥克斯韋妖並沒有違反熱力學第二定律。科學家們嘗試了很多方法來設計符合麥克斯韋妖設定的實驗系統，並且在小範圍內已經取得了成功。而我們創造的系統，能以一種熵減的方式來操控和組織大量原子。”研究人員使用激光捕捉並冷卻三維晶格（將125個位置排列成5×5×5的立方體）中的原子。然後，他們隨機地用原子填充晶格中大約一半的位置。接著通過調整激光捕集器的偏振，研究人員對原子進行單獨或分組移動，進而重新組織隨機分佈的原子，使其完全填充晶格的5×5×2或4×4×3亞晶格。
韋斯接著說：“在極低的溫度下冷卻原子，系統的熵幾乎只由晶格內原子的隨機構型決定，這排除了原子振動對熵的影響。在我們的實驗中，原子組織化後，系統內的熵降低了大約2.4倍。”
編譯：雷鑫宇
審稿：阿淼
來源：http://h5.scimall.net.cn/register?from=wechat
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