基于构造器的不可逆性不可逆性与量子力学的协调

　　实验装置。来源：DOI:10.1103/PhysRevLett。128.080401
　　INRiM的一个研究小组与牛津大学合作，在发表于 体检报告 不可逆性与量子力学时间反转对称律的相容性。
　　关于不可逆性的问题，从统计力学方法到逻辑不可逆任务的信息论描述，以及经典和量子热力学第二定律，都有不同的处理方法。无论采用何种方法，在微观尺度下，不可逆现象的模型化与时间可逆量子定律之间总是会产生冲突。
　　在本文中，不可逆性被定义为：一个变换（T）可以被一个循环机器任意地很好地实现，但它的逆（T~）并不成立。焦耳实验给出了这种不可逆性定义的一个典型例子：一个体积的水只能被机械加热（但不能冷却）。von Neumann将执行转换的循环机器的概念概括为构造器（即一个系统能够在另一个系统上执行某个任务，同时又能够重复该过程）。因此，只有存在能够实现转换的构造函数时，才有可能进行转换。在这项研究中，这种不可逆性，推广了焦耳的实验之一，称为基于构造器的不可逆性。
　　为了显示这种新定义的不可逆性与量子力学的时间反转对称定律之间的兼容性，研究人员研究了一个以量子均匀器为中心的基于量子位的玩具模型（即，一台由一组N个量子位组成的机器，每一个量子位在特定状态下完全相同地制备）。通过随后的部分交换（量子门能够部分交换两个量子比特的状态）与均匀化器的N个量子位相互作用，某个量子比特Q的状态可以绝热地转换为均匀化器的状态，同时引起机器的轻微修改。
　　如果我们的T是＂纯到混合＂变换（Q从纯态到最大混合态的转换），可以证明这个量子均匀化器满足被认为是合适构造器的条件，而实现T~（＂混合到纯＂情况）的情况则不一样。这意味着，即使T是可能的，其对应的T~不是；因此，我们已经恢复了不可逆性，即使在一个由时间可逆定律模拟的场景中。
　　为了定量地证明这一点，研究人员进行了一项实验，利用1550nm处发射光纤耦合单光子的低噪声原型源产生高精度单光子量子比特。
　　通过级联三个50:50的光纤分束器，用InGaAs/InP单光子雪崩二极管检测量子比特Q与N=3量子均衡器之间的相互作用。最后，探测器的输出被发送到一个时间标记符合模块。
　　利用这套装置，研究人员首先研究了量子均匀器在不同强度的部分交换门下的性能，然后分别对T和T~评估了机器在任务实现中的精度及其对重复使用的恢复能力。通过这样做，研究人员证实了他们的理论预测和数值模拟，表明虽然T的量子均匀化器可以作为构造器，但T~的量子均匀化器恶化得太快，最终无法进行这样的转换。
　　这可以作为基于构造器的不可逆性与量子理论时间可逆定律相容性的明确证明，为热力学的出现提供了一个新的观点不可逆性在量子力学框架下。