▲在一个随机半填充的5×5×5原子晶格中减少熵。第一行为原子在三维阵列125个可能位置中的初始随机分布。第二行为首次排序后的原子分布。第三行为第二次排序后的原子分布。此时，5×5×2亚晶格已被完全填满。这个过程将系统的熵降低了2.4倍。
在由超冷激光捕获的原子构成的三维晶格中，降低熵有助于加速量子计算机的发展。《自然》（Nature）杂志9月6日出版的论文称，美国宾夕法尼亚州立大学(简称PS)的研究人员，将随机分布的原子阵列重新排布成了整齐的原子块，实现了“麦克斯韦妖”（Maxwell’s demon）的功能。麦克斯韦妖是19世纪70年代的一个思维实验，它对热力学第二定律提出了挑战。由于量子计算机使用原子对数据进行编码和运算，因此组织化的原子块可作为制造量子计算机的基础。
PS物理学教授、研究团队负责人戴维?韦斯（David Weiss）说：“传统计算机使用晶体管对数据进行二进制编码，其状态只有0和1。而我们正在设计的量子计算机是将原子作为‘量子位’，它可以根据量子力学现象对数据进行编码，从而使它们能够同时处于多种状态。将原子组织成一个密集的3D网格，可以让计算变得更简单和高效。”
热力学第二定律指出，熵是无序的，且不会随着时间的推移而减少。热力学第二定律排除了永动机的可能性。1870年前后，詹姆斯?克拉克?麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提出了一个思维实验，即著名的“麦克斯韦妖”。实验中，温度较高的原子朝一个方向移动，而温度较低的原子向另一个方向移动。这种不需要能量输入的分选，会导致系统的熵减小，由此产生的温差可以作为热泵做功。这个实验似乎显然违背了热力学第二定律。
韦斯说：“后来的研究表明，麦克斯韦妖并没有违反热力学第二定律。科学家们尝试了很多方法来设计符合麦克斯韦妖设定的实验系统，并且在小范围内已经取得了成功。而我们创造的系统，能以一种熵减的方式来操控和组织大量原子。”研究人员使用激光捕捉并冷却三维晶格（将125个位置排列成5×5×5的立方体）中的原子。然后，他们随机地用原子填充晶格中大约一半的位置。接着通过调整激光捕集器的偏振，研究人员对原子进行单独或分组移动，进而重新组织随机分布的原子，使其完全填充晶格的5×5×2或4×4×3亚晶格。
韦斯接着说：“在极低的温度下冷却原子，系统的熵几乎只由晶格内原子的随机构型决定，这排除了原子振动对熵的影响。在我们的实验中，原子组织化后，系统内的熵降低了大约2.4倍。”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：阿淼
责编：南熙
