本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
量子力學是人類已知的對自然界最成功的描述，但它對我們理解世界有著許多奇怪的含義。存在疊加現象（物體同時處於兩個位置）、糾纏現象（相關性超過任何經典相關性）和非定域性現象（資訊似乎能夠瞬間跨越遙遠的距離）。正如我在六月刊《大眾科學》中的封面故事中討論的那樣，這些奇特之處不僅限於亞原子領域，而且也挑戰了我們對日常世界的概念。現在，在《自然》雜誌上發表的一篇論文中，我和來自瑞士和新加坡的同事一起，發現了量子物理學的另一個違反直覺的後果。
任何使用過計算機的人都知道，我們使用計算機越多，它就越熱。物理學家羅爾夫·蘭道爾認為，這必然如此，並將這一觀察提升到一個原則的高度。該原則指出，為了擦除一位資訊，我們需要將環境的熵至少增加相同的量。換句話說，我們需要向環境中散發至少一位的熱量（這正好等於熵的位乘以環境溫度）。
自蘭道爾在 60 年代初提出以來，蘭道爾的擦除原則在物理學界一直存在爭議。它是一條新的物理定律，還是僅僅是一些已存在定律的推論？我們的新論文認為，在量子物理學中，實際上可以同時擦除資訊並冷卻環境。對於許多物理學家來說，這無異於說永動機是可能的！使得這一切成為可能的是糾纏，但請不要讓我跑題太遠。我將首先透過向您介紹更多關於蘭道爾的背景來鋪墊一下。
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蘭道爾始終強調，不存在脫離具體存在的抽象資訊。資訊位需要被編碼到真實的物理系統中，因此必須符合這些系統所遵循的物理定律。在蘭道爾的擦除案例中，我們談論的定律是（臭名昭著的）熱力學第二定律。第二定律指出，封閉系統中的無序度大多會增加，最多保持不變。蘭道爾認為，擦除資訊和產生熱量之間的聯絡是第二定律的結果。這聽起來很合理，事實上，他的同事查爾斯·貝內特在 70 年代後期證明，如果您可以在不產生熱量的情況下擦除資訊，則可以構建第二類永動機。因此，貝內特表明，否定蘭道爾的原則意味著否定第二定律，這（對於熟悉基本邏輯定律的人來說）與說第二定律意味著蘭道爾的擦除是相同的。貝內特和蘭道爾就此主題為《大眾科學》撰寫了一篇經典文章。
那麼爭議在哪裡呢？爭議來自於詢問蘭道爾的原則是否也意味著第二定律。如果真是這樣，那麼兩者將是等價的，因為每一個都意味著另一個。一些作者甚至談論了蘭道爾的原則可能比第二定律更強的可能性。
現在，我和我的同事在蘭道爾的故事中發現了一個額外的轉折。正如我之前所說，在量子物理學中，您可以擦除資訊，但是您不是向環境增加熱量，而是可以實際將其帶走！這聽起來好像與蘭道爾的原則相矛盾。更令人擔憂的是，由於我們論證了它與第二定律的等價性，這將意味著量子物理學與第二定律相矛盾。量子物理學似乎允許我們兩者兼得，它允許我們擦除資訊並同時冷卻環境。
但是，幸運的是（對於那些想發明永動機的人來說卻不是這樣），事實並非如此。蘭道爾的見解仍然正確，擦除資訊會增加環境的熵。拯救第二定律的是，在量子物理學中，熵實際上可以是負的。增加負熵與減去熵相同。其背後的關鍵現象是所有量子現象中最怪異的現象，即糾纏。
為了理解糾纏與負熵之間的聯絡，我們必須回到薛定諤對糾纏的觀點。當兩個系統糾纏在一起時，我們對它們的聯合狀態有完整的瞭解，但對它們的個體狀態沒有任何瞭解。如果我們正在擦除狀態，作為一個整體，我們不需要產生熵（因為該狀態的熵為零），但是如果我們分別擦除子系統，則每個子系統都將有助於熵的產生。全域性擦除和區域性擦除之間的差異是負熵。換句話說，如果我們必須擦除一些資訊，則瞭解此資訊是否來自與另一個系統的糾纏會有所幫助。然後，透過在擦除中呼叫另一個系統，我們實際上可以擦除，並且環境可以損失熵。
因此，當允許糾纏時，蘭道爾的擦除獲得了一個新的維度，但即便如此，它仍然完全符合第二定律。無論好壞，即使在糾纏和量子物體負熵的量子魔力的全力幫助下，整個宇宙的熵仍然無法減少。
如果這一切看起來令人困惑，那確實如此！這是非常微妙的物理學，即使是傑出的物理學家，也很少有人能立即理解它。如果您在下面提出您的問題，我將盡力回答它們。
我們的結果的含義對於超快和超高效計算機可能很重要。當前的計算機每個計算步驟會浪費約 10,000 個熱量單位。如果我們能夠以某種方式控制和操縱微處理器和計算機記憶體之間的糾纏，那麼我們可以擦除計算以為新的計算騰出空間，但保持環境涼爽——我們將處於物理上允許的邊界。目前，這確實很難做到，但是誰能預言量子技術已經取得的快速進展呢？
圖片由詹妮·霍根提供，量子技術中心