物理学家说，量子力学和热力学都可以是正确的 – 物理世界

荷兰和德国的物理学家已经证明，热力学和量子力学理论都是描述量子处理器中光子行为的有效方法。 特温特大学和柏林自由大学的研究人员获得的结果为更深入地了解如何调和这两个伟大理论打开了大门。

热力学和量子力学是现代物理学的基石，但在一个特定的、重要的方面，它们相处得并不好。 争论的焦点围绕着热力学第二定律，该定律指出，一个封闭的系统将以不可逆的方式走向最大熵（系统无序或混沌的度量）。 相比之下，量子力学理论允许计算回粒子先前的状态，这意味着信息流和时间流都是可逆的。

近年来，人们多次尝试使用超冷原子或超导量子位（qubit）等纠缠量子系统来探索这一冲突。 通过观察这些系统热化和平衡时发生的情况，应该可以同时测量它们的熵和量子态，从而解决悖论。

问题在于量子系统对与其环境的相互作用非常敏感。 这使得创建一个真正封闭的系统变得困难。 它们还容易失去量子性质，这一过程称为退相干，这使得时间反转难以实现。

光子学来救援

为了解决这些挑战，该团队选择研究纠缠光子系统中的热化和平衡。 与由（例如）原子组成的量子系统相比，光子有几个优点。 它们本质上的量子性质意味着它们不会受到退相干的影响。 与原子所需的超低温相比，它们可以在室温下进行研究，并且易于通过干扰进行操作。 最重要的是，它们允许时间可逆：光子的任何混合都可以通过执行逆操作来逆转，这意味着纠缠的光子实际上可以“解开”。

在实验中，研究人员首先将单光子注入芯片上的波导通道。 这些光子会干扰芯片上光子通道相遇和交叉的地方。 该团队用热光马赫-曾德干涉仪控制的这种干涉，在波导中产生光子的叠加，并允许纠缠建立。 然后用单光子探测器探测光子。

同时真实

为了确定系统的局部和总熵增加，研究人员执行了一系列协议。 例如，时间可逆性是通过解开光子来实现的，这得益于处理器对实验的完全控制。

一旦这些协议完成，实验各个输出通道中的测量结果表明光子数无法再精确定义。 这是因为光子处于纠缠状态，不再像输入时那样单独定位在单个通道中。 然而，研究人员在每个通道中测量的光子统计数据确实表明，熵在所有通道中局部增加，这与热力学第二定律一致。 与此同时，光子之间建立的纠缠在各个通道中是不可见的：只有在考虑整个系统时，才能清楚地看到整个量子态处于纯粹的形式，与量子力学一致。

作为最后的检查，物理学家执行了将处理器返回到其原始状态（时间反转）的操作。 这些操作的成功证明热化和平衡过程是由于量子粒子之间的纠缠，而不是与环境的相互作用。 因此，实验表明热力学和量子力学可以同时成立。

高质量数据

根据 佩平·平克塞特温特大学的量子光学专家表示，该团队面临的最大挑战是获得足够的高质量数据来执行测量。 他说，光子处理器的低损耗有所帮助，更多的光子和更大的处理器应该使他们能够模拟更多的系统。 他补充道，链中最薄弱的元素似乎是光子源：“我们至少有 12 个输入通道，但只有三个光子可以同时进行实验，因此还有改进的空间，”他告诉我们 物理世界.

无名理论：为什么热力学与量子力学和广义相对论一样重要

妮可·容格·哈尔彭未参与这项研究的美国国家标准与技术研究所（NIST）量子热力学专家表示，该实验很重要，因为它扩展到了光子，之前涉及超冷原子、捕获离子和超导量子位的工作。 她说，平台的这种变​​化使实验者能够撤销导致系统内部平衡的过程，从而可以得出系统在平衡时保留其量子性质的结论。 她指出，做到这一点需要“出色的控制力”，并补充说，实现这种控制力的挑战在过去几年中已经引起使用其他平台的群体的严重焦虑。

研究发表在 自然通讯.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/