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Nat. Phys.：“量子麦克斯韦妖”将提高比特寿命
宇宙是无序的。想象一下把一丁点的红色染料丢进一个游泳池：所有这些染料分子都会慢慢扩散到整个水中，物理学家通过计算染料分子可能的排列方式来量化这种扩散的趋势。但是，会有数不清的数十亿种排列组合、分子以不同的方式散布在整个水中；如果宇宙从所有可能的状态中随机选择，它最终会选择大量无序可能性中的一种。
以这种方式来看，热力学第二定律所量化的“熵”或无序的增加，几乎具有数学上的确定性。因此，物理学家当然不断试图打破它。
一个人几乎做到了。苏格兰物理学家詹姆斯-克拉克-麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在1867年设计的一个思想实验让科学家们困惑了115年。
——麦克斯韦妖(Maxwell's demon)是为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的假想实验。
在这个实验当中，一个妖怪控制着两个气体舱之间的一扇小门。当独立的气体分子接近门时，妖怪迅速的打开和关闭门：快速的分子进入其中的一个腔，慢速的分子进入另外一个腔。因为速度更快的分子温度更高，妖怪的动作导致一个腔室升温、另一个腔室降温，从而减少熵，违反了热力学第二定律。这个假想实验引起了关于热力学和信息论之间关系的争论和理论工作（并一直延续到今天），一些科学家认为理论上的考虑排除了任何以这种方式违反第二定律的实际装置。
即使在找到解决方案之后，物理学家们仍然继续使用麦克斯韦妖，将宇宙的规律推向极限。
1982年，美国物理学家Charles Bennett将拼图的碎片拼在一起。他意识到麦克斯韦妖的核心是一台信息处理机器：它需要记录和存储有关单个粒子的信息，以决定何时开门和关门。维也纳量子光学和量子信息研究所的物理学家Gonzalo Manzano对此解释道，“妖”需要为更多的信息腾出空间，这不可避免地导致了无序的净增加。
21世纪，随着思想实验的解决，真正的实验开始了：科学家可以在实验室里实现麦克斯韦妖。
2007 年，苏格兰科学家设计了一个“信息棘轮”，可以在化学系统中产生温差，如果没有这些棘轮系统会处于热平衡状态。一年后，俄勒冈大学的研究人员设计了一个巧妙的实验，使用激光创造出一个盒子，另外两束激光分别作为挡板小孔和 工作“小妖怪”。
日本物理学家根据 Szilard 引擎的概念在 2010 年的《自然》杂志上中介绍了如何将纳米级别的柱子引导到一个螺旋楼梯上的方法。而到了 2013 年，德国科学家用一对相互作用的量子点（只有几纳米宽的微小半导体）构建了麦克斯韦妖实验的等效实验。
2014年，佩科拉 Pekola等人展示了Szilárd引擎实验的实现。仅仅一年之后，同一个研究小组根据早先的理论提议，第一次实验性地实现了自主的麦克斯韦妖，它从一个系统中提取微观信息，并通过反馈减少系统的熵。这个妖是基于集成在同一电路上的两个电容耦合的单电子器件。妖的运行直接表现为系统中的温度下降，同时，由于产生互信息的热力学成本而引起的妖中的温度上升。
2016年，Pekola等人证明了单电子耦合电路中存在自主妖的原理，展示了一种以信息为燃料冷却电路中关键元件的方法。Pekola等人还提出，一个简单的量子比特电路可以为研究量子Szilárd引擎提供基础。
著名的麦克斯韦妖出现之前，信息和物理之间的联系一直不甚明确。这一思想实验显著改变了人们对宇宙中信息的理解：它最初是一个麻烦的悖论，现在则是一个宝贵的概念——阐明了物理世界和信息之间的显著联系。
近期的实验将科学家对麦克斯韦妖的理解、运用又推进了一步。
实验中，团队通过实施具有主动反馈控制回路的量子Szilard引擎，成功展示了超导fluxonium量子比特与未知起源的两能级系统（TLS）环境之间的耦合。
这些TLS具有相对较长的固有能量弛豫时间：超过50毫秒。研究人员通过冷却TLS成功将量子比特的布居数降低了四倍，并通过加热TLS观察到了对应量子比特布居数约为80%的负温度环境。
此外，他们还发现TLSs和量子比特是彼此主要的损耗机制，并且量子比特的弛豫与TLS的布居数(TLS population)无关。因此，团队表示，“理解和缓解TLS环境不仅对于提高比特寿命至关重要，还可以避免非马尔可夫量子比特动力学的影响。”
具体来说，在量子处理器环境中的加热和冷却是连续运行的，Szilard引擎可以用来优先降低其中一个量子比特的转换率。例如，降低Γ↑将有利于玻色子编码。
随着量子硬件的不断改进，相干作用和非马尔科夫量子比特动力学将开始发挥作用、提高量子纠错策略的标准。这里介绍的量子Szilard引擎提供了对未来硬件所面临的挑战的初步了解；在这种情况下，相干性的改进也会转化为越来越复杂的、与环境的相互作用。
参考链接：[1]https://mp.weixin.qq.com/s/bEnzH-iFyqrfnuMdkTE-iA[2]https://mp.weixin.qq.com/s/iDErH4A5mt7mNxWRZXIyLQ[3]https://www.quantamagazine.org/how-maxwells-demon-continues-to-startle-scientists-20210422/[4]https://www.nature.com/articles/s41567-023-02082-8
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