实验室实现麦克斯韦妖

王晋岚

芬兰物理学家佩科拉（J.P.Pekola）研究团队在实验室成功实现了单电子麦克斯韦妖，英国物理学家达尔斯特（O.Dahlste）及其合作者在牛津大学成功实现了光子麦克斯韦妖，相关成果分别于2015年12月30日和2016年2月1日发表于Physical Review Letters。

热力学第二定律声明，孤立系统的熵永不会减少。1867年，英国物理学家麦克斯韦提出一个思想实验以探讨热力学第二定律的微观基础与适用边界，这一思想实验被称作“麦克斯韦妖”实验。麦克斯韦妖的出现带来了物理观念上的众多新认识，最有影响的思想来源于兰道尔（R.Landauer）。1960年代，兰道尔提出，为了让妖不依赖于外界做功而能自发地执行所需的操作，需要付出另一代价——妖需要对气体分子的速度进行测定与记忆，随着气体分子信息的积累，妖的“内存”终会溢出，为了使工作继续，定期清空妖的“内存”成为必须，这便需要外界对其做功。这一想法证实热力学第二定律的同时，也带来了新的理念——信息是物理的，开启了信息与能量关系的研究。

随着理论理解的深入，以及实验技术的进步，如今麦克斯韦妖已经从理论设想变成实验现实。佩科拉研究组通过集成在同一电路中的两个电容性耦合的单电子器件实现了可以自发执行操作的单电子麦克斯韦妖实验。为了模拟热力学系统（容器），研究人员设计了结构精巧的单电子器件：一小块金属岛通过超导结与两个金属电极相连接，通过隧穿效应，电子可以进入或离开金属岛。“热力学系统器件”与电子结构相似的“妖单电子器件”被集成在同一电路中，并实现电容性耦合。通过对势垒的调节以及电路反馈机理，妖可以对进入和离开金属岛的电子进行筛选。超导材料的选择避免了热耗散，方便研究人员准确地跟踪进入和离开金属岛的能量，以及热力学系统与妖之间的信息交换。研究发现，妖的行为导致了热力学系统温度的下降，但作为产生信息交换的代价，妖自身的温度相应的上升了。而且，温度变化由两者问交互信息的程度所决定。这一实验工作加深了人们对信息熵的认识。单电子麦克斯韦妖的实验实现得益于纳电子学技术的发展，同样量子信息以及量子光学领域发展出的众多光学技术给麦克斯韦妖的实现提供了另一途径，达尔斯特研究组设计出用于研究热力学与信息关系的光学平台，并制备出光学麦克斯韦妖。研究人员使用光脉冲替代气体容器，而以光电探测器和前馈操作来实现妖的功能——光电探测器可以测量每个脉冲的强弱，前馈操作用于控制强、弱脉冲的前进方向。方向不同的两束光分别射在不同的光电二极管上，产生方向相反的电流，并流向电路中的电容器件。妖的筛选使得两束光强弱不同，从而实现对电容的充电。实验表明，人们可以利用信息从热力学系统提取更多的能量。

麦克斯韦妖的实验工作为微观尺度理解热力学定律，定量探索信息与能量的关系奠定了基础，并使得进一步研究其他物理特性，如量子纠缠与热力学定律的关系成为可能。