当许多量子粒子相互作用时，可以形成复杂的系统。这种复杂性使得温度达到绝对零度——至少在原则上是这样。

最低的绝对温度是-273.15°C。任何物体都不可能精确地冷却到这个温度，只能接近绝对零度。这是热力学第三定律。

在《PRX量子》杂志上发表的一项研究中，维也纳理工大学(维也纳)的一个研究团队现在研究了这个问题：这个定律如何与量子物理的规则相协调？他们成功地开发了热力学第三定律的“量子版本”：理论上，绝对零度是可以达到的。但对于任何可以想象到的成功秘诀，你都需要三个要素：精力、时间和复杂性。只有当你有无穷多的其中一种成分，你才能达到绝对零度。

框架：我们考虑在两个极端控制场景中冷却量子系统的任务，两个范式的每一步都包含两个基元。顶部面板描述了相干控制场景：在控制步骤（左）中，代理可以使用工作源 W 在系统 S 和机器 M 上实现任何全局酉，它们都在反温度β下开始热;在冷却目标时，能量和熵被传递到机器上。然后，机器随环境（右）进行再热处理，从而消散在控制步骤中获得的能量。下图描述了不相干的控制场景：机器被一分为两部分，温度β反转，β<β温度反转。在控制步骤中，代理打开三个系统之间的交互，由全局节能酉U表示。在再热化步骤中，相互作用被关闭，机器的两个子系统重新热化到各自的初始温度;热部分从热浴中获取能量，而冷部分将热量散发到环境中。在这两种范式中，我们将控制复杂性量化为给定控制步骤中酉操作访问的有效维数（即酉非平凡作用的系统机器希尔伯特空间的维数）。

信息和热力学：一个明显的矛盾

当量子粒子达到绝对零度时，它们的状态就被精确地知道了：它们保证处于能量最低的状态。然后，粒子不再包含有关它们之前所处状态的任何信息。之前发生在粒子上的一切都被完全抹去了。从量子物理学的角度来看，冷却和删除信息是密切相关的。

在这一点上，两个重要的物理理论相遇了：信息论和热力学。但两者似乎相互矛盾。“从信息论中，我们知道所谓的 Landauer 原理。它表示删除一个比特信息需要非常特定的最小能量，”TU Wien 原子研究所的 Marcus Huber 教授解释道。然而，热力学表明，你需要无限量的能量才能将任何东西冷却到完全零。但是，如果删除信息和冷却到绝对零度是一回事，那么这两者是如何结合在一起的呢？

能量、时间和复杂性

问题的根源在于，热力学是在19世纪为经典物体(如蒸汽机、冰箱或发光的煤块)制定的。那时，人们对量子理论一无所知。如果我们想要理解单个粒子的热力学，我们首先要分析热力学和量子物理是如何相互作用的——这正是Marcus Huber和他的团队所做的。

“我们很快意识到，不一定要使用无穷大的能量才能达到绝对零，”Marcus Huber 说。“用有限的能量也是可能的，但你需要无限长的时间来做到这一点。” 到目前为止，这些考虑仍然与我们从教科书中了解到的经典热力学相容。但随后该团队发现了一个至关重要的额外细节：

Marcus Huber说：“我们发现量子系统可以被定义为允许在有限能量和有限时间内达到绝对基态——我们都没有预料到这一点。”“但这些特殊的量子系统还有另一个重要的性质：它们无限复杂。”所以你需要对量子系统的无限多个细节进行无限精确的控制——然后你就可以在有限时间内用有限能量将量子物体冷却到绝对零度。当然，在实践中，这就像无限高的能量或无限长的时间一样是不可能实现的。

擦除量子计算机中的数据

“因此，如果你想完美地擦除量子计算机中的量子信息，并在此过程中将量子比特转移到完美的纯基态，那么理论上你需要一台无限复杂的量子计算机，它可以完美地控制无限数量的粒子，”Marcus Huber说。然而，在实践中，完美并不是必需的——没有机器是完美的。这足以让量子计算机很好地完成它的工作。所以新的结果原则上不妨碍量子计算机的发展。

在量子技术的实际应用中，温度在当今起着关键作用——温度越高，量子态越容易破裂，变得无法用于任何技术用途。“这正是为什么更好地理解量子理论和热力学之间的联系如此重要的原因，”Marcus Huber 说。“目前在这个领域有很多有趣的进展。慢慢地可以看到物理学的这两个重要部分是如何交织在一起的。”

参考链接：https://phys.org/news/2023-04-absolute-quantum-law-thermodynamics.html