热力学与量子信息的深层联系:信息热力学第二定律的普遍有效性

万象经验 2025-02-16 10:18:42

热力学第二定律是物理学的基础之一,长期以来一直被认为是支配宏观系统行为的定律,它规定了自发过程的方向以及宇宙中熵不可避免地增加。然而,信息论的出现以及对微观世界的探索,揭示了热力学和信息之间更深层次的联系,从而形成了信息热力学第二定律。

在热力学和量子信息领域,“信息热力学第二定律”作为一项基本原则,支配着复杂系统的行为和相互作用。由Shintaro Minagawa及其同事撰写的论文《Universal Validity of the Second Law of Information Thermodynamics》深入探讨了这一原则,特别是在量子反馈控制和抹除协议的背景下。

信息的热代价

热力学和信息之间的联系最早由麦克斯韦妖(Maxwell's demon)所暗示,这是一个思想实验,它通过假设一个能够通过选择性地操纵单个分子来降低熵的假想生物,从而挑战了第二定律。然而,兰道尔(Landauer)和贝内特(Bennett)对这一悖论的解决表明,即使在微观层面上,信息处理也并非没有热力学代价。兰道尔原理指出,擦除一位信息需要消耗最少量的能量,这与系统的温度成正比。该原理确立了信息不仅仅是一个抽象概念,而是一个具有能量后果的物理实体。

在兰道尔工作的基础上,贝内特证明了信息处理在热力学上是可逆的,只要它是逻辑可逆的。这意味着对于每个计算步骤,都存在一个逆步骤,可以将系统恢复到之前的状态而不会增加熵。然而,不可逆操作(例如擦除信息)必然会导致熵增加,从而维持第二定律。

信息热力学第二定律

信息热力学第二定律将这些见解形式化,指出一个系统的总熵(包括其物理熵和信息熵)在任何过程中只能增加或保持不变。该定律具有深远的影响,因为它规定了信息处理的限制以及操纵信息的能量成本。它还为理解复杂系统的行为提供了一个框架,其中信息起着至关重要的作用,例如生物系统和计算机。

在确立信息热力学第二定律的普遍有效性方面,一个关键挑战在于定义和测量信息熵。与物理熵(与系统的微观状态数相关)不同,信息熵与特定信息的不确定性或惊讶程度相关。然而,信息论和统计力学的最新进展为以严格的方式量化信息熵提供了工具,从而允许在各种情况下制定和检验第二定律。

论文的核心发现

Minagawa及其团队的论文探讨了信息热力学第二定律在各种量子反馈控制和抹除协议中的普遍有效性。通过详尽的理论分析和严格的实验验证,研究人员证明了无论量子系统的初始状态如何或所采用的反馈控制方法具体为何,第二定律始终成立。

论文的关键发现总结如下:

普遍性: 第二定律在不同的量子反馈控制方案中普遍有效,证明了其鲁棒性和广泛意义。

协议独立性: 该定律的有效性不依赖于所使用的具体反馈控制或信息抹除协议。这包括从简单的基于测量的反馈到更复杂的相干反馈控制的一系列策略。

量子贡献: 研究结果强调了熵和信息流中的量子贡献,这是经典热力学无法完全捕捉的。

结论

信息热力学第二定律的普遍有效性的探索代表了理论和应用物理学的重大进步。Shintaro Minagawa及其同事的工作不仅重申了支配熵和信息的基本原则,还为未来在量子技术及其他领域的创新铺平了道路。

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评论列表
  • 2025-04-12 21:10

    发光源在移动的时候,在运动前进方向上光的频率是会发生紫外频移的,在运动前进反方向上光的频率是会发生红外频移的,可以测速,即多普勒效应。现实中光速不是绝对的,请注意太阳系是运动的,银河系是运动的,在光速频移上就没体现出来,集体潜意识影响是巨大的。科研需要冲破集体潜意识。

  • 2025-04-11 23:41

    ⭕️粒子对撞机能创造新物质吗?不!!只能产生一些破碎(质量亏损)。核能化石能太阳能都是释放光子/电磁粒子, photon energy and photon behavior discussions,物质包括光子本质是带电质量体服从牛顿力学。正负光子(中微子)是电子质子撞击的破碎,强大电斥力(10^36倍引力)发射碎块到达零电势区获得真空光速,强大电磁力平衡是光子间距/波长稳定的关键。太空光子几乎惯性飞行,在原子内部宽广空间有引力场轨道运动或逃逸折射或撞击,有斥力场散射反射等。电子质子不易获得高速,原子惯性飞行穿透材料条件也差太多。中子大冲量撞击原子核是产生光子(核能)的关键途径,电子撞核/质子撞轨道电子,冲量都太小。……加速器驱动的次临界核能可获得无穷能源,且不受现有裂变材料的局限。⭕️热量温度是光子辐射(热质说),高温体辐射更多光子吸收低温体辐射的更少光子,温度传递只能由高温体到低温体(熵增是数学,原子获得光子动能相对运动带来生命生机不是绝望)。高温体辐射更多动能光子,当然微观运动更剧烈(热动说)。无光子辐射是绝对零度/可怕,宇宙背景辐射超过且接近绝对零度,获得绝对零度极难。

  • 2025-04-11 23:41

    ❌跟屁虫名利科学院,培养大批孔乙己,看不起牛顿经验归纳/实践出真知/短衣帮,更爱假说诠释相对论之乎者也/长衫子,举人自居趾高气扬骂“民科”(民科民粹不知为不知无关伪科学),狗咬狗咬人笑死个人!假说“天鹅是黑的”,找到黑天鹅,写论文发顶刊皆大欢喜,号称证明了!假说科学不算假/读书人偷书不算偷,伟大突破物理革命!❌瞎搞高速低速不同,宏观微观差异,纠缠宇宙唯一女朋友,不确定当科学,祸害绝对真理,二象性,空间弯曲挤脑袋,相互作用不同时,测量光速不要参考系,时时处处可放羊,运动是物质,波论场论数学冒充物理追不上芝诺乌龟,,,诠释应用,黑天鹅对不确定对称性有巨大贡献……有人打了一个很响的臭屁,比蝴蝶效应还要猛,果然下雨获得了应用,臭屁应用十分广泛。只有三个人懂的相对论也有广泛应用?诠释一切诠释应用,万能骗术!⭕️三次工业革命,演绎卫星飞行控制,汽车轮子在最下面,电力电信导体电子运动,半导体控制电子运动,,,只能用牛顿力学/弯曲空间木法搞,清清楚楚,需要写论文诠释吗?号称有鬼谁能证无?水往低处流不变现象是真理是确定性,假说后脑勺也能确定?假大空祸害子孙祸害国家沾沾自喜??

  • 2025-02-24 05:16

    一个很奇妙案例供大家参考。 陀螺仪在当今社会应用很广,陀螺仪其中一个基本特性:定轴性,当陀螺转子以高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变,即指向一个固定的方向;同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。其实以上的基本特性描述是不严谨的,以上的基本特性描述是只有在转子轴向在大于0度小于90度范围内才可以成立的,在大于等于90度小于180度范围内是不成立的,在夹角等于90度时反抗任何改变转子轴向的力量大小和方向无法确定(有点像薛定谔的猫),当夹角稍微大于90度时反抗任何改变转子轴向的力量大小和方向确定,不在是保持陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变,而是指向一个固定的相反方向,明显可以重复观察到,网上有卖金属倒立自动翻转陀螺可供参考,是最典型的实践证据。自动翻转陀螺在翻转的同时重心增高,势能变大,传统物理学理论无解。 陀螺仪的定轴性,在反抗任何改变转子轴向过程中如果不存在重力以外的外力,定轴性表现是和轴向角动量守恒是冲突的。研究结果可以理论个实验重新定义 时间 和 空间。

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