完美地擦除數據和達到最低的溫度可能看起來毫無關聯，但它們之間有著緊密的聯繫。維也納大學的研究人員發現了熱力學第三定律的一個量子表述。絕對零度的溫度，也就是可能的最低溫度，是-273.15攝氏度。然而，要達到這個溫度是不可能的，因為物體只能接近它。這一概念被稱為熱力學的第三定律。

當許多量子粒子相互作用時，可以形成複雜的系統。而這種複雜性允許達到絕對零度的溫度–至少在原則上。信用: IQOQI/ÖAW

維也納大學的一組研究人員最近探討了熱力學第三定律與量子物理學原理的兼容性。他們成功地制定了該定律的”量子版”，該定律認為達到絕對零度在理論上是可能的。然而，任何實現這一目標的可行方法都需要三個組成部分：能量、時間和復雜性。只有在這些元素之一可以無限供應的情況下才能達到絕對零度。

信息和熱力學：一個明顯的矛盾

當量子粒子達到絕對零度時，它們的狀態是確切知道的：它們被保證處於能量最低的狀態。然後，粒子不再包含關於它們之前處於何種狀態的任何信息。粒子之前可能發生的一切都被完美地抹去了。從量子物理學的角度來看，冷卻和刪除信息因此是密切相關的。

在這一點上，兩個重要的物理理論相遇了： 信息理論和熱力學。但這兩者似乎是相互矛盾的：”從信息理論中，我們知道所謂的蘭道爾原理。它說刪除一個比特的信息需要一個非常具體的最小能量，”來自維也納工業大學原子研究所的馬庫斯-胡貝爾教授解釋說。然而，熱力學說認為需要無限量的能量才能將任何東西完全冷卻到絕對零度。但是，如果刪除信息和冷卻到絕對零度是同一件事–這又是怎麼一回事？

能量、時間和復雜性

這個問題的根源在於，熱力學是在19世紀為經典物體–蒸汽機、冰箱或發光的煤塊–制定的。在那個時候，人們對量子理論一無所知。如果我們想了解單個粒子的熱力學，我們首先必須分析熱力學和量子物理學是如何相互作用的–而這正是馬庫斯-胡貝爾和他的團隊所做的。

“我們很快意識到，你不一定要用無限的能量才能達到絕對零度，”馬庫斯-胡貝爾說。”用有限的能量也是可能的–但這樣你就需要無限長的時間來完成。”

到此為止，這些考慮仍然與我們從教科書中了解到的經典熱力學相符。但隨後該團隊又遇到了一個至關重要的細節：

“我們發現，可以定義量子系統，使絕對基態即使在有限的能量和有限的時間內也能達到–我們都沒有想到這一點，”馬庫斯-胡貝爾說。”但這些特殊的量子系統有另一個重要的屬性：它們是無限複雜的。因此，你需要對量子系統的無限多的細節進行無限精確的控制–那麼你就可以在有限的時間內用有限的能量將一個量子物體冷卻到絕對零度。當然，在實踐中，這和無限高的能量或無限長的時間一樣是無法實現的。”

擦除量子計算機中的數據

“因此，如果想在量子計算機中完美地擦除量子信息，並在這個過程中把一個量子比特轉移到一個完全純淨的基態，那麼理論上需要一個無限複雜的量子計算機，可以完美地控制無限多的粒子，”馬庫斯-胡貝爾說。然而，在實踐中，完美是沒有必要的–沒有機器是完美的。量子計算機能相當好地完成其工作就足夠了。因此，新的結果在原則上並不是發展量子計算機的障礙。

在量子技術的實際應用中，溫度在今天起著關鍵的作用–溫度越高，量子態就越容易被打破，變得無法用於任何技術用途。這正是更好地理解量子理論和熱力學之間的聯繫的重要原因。”目前在這個領域有很多有趣的進展。慢慢地，我們有可能看到物理學的這兩個重要部分是如何交織在一起的。”