摘要：TU Wien 的科学家证实，删除量子信息总是需要消耗能量，验证了 Landauer 原理。他们的原子云实验表明，信息丢失与熵增加有关。信用：SciTechDaily.com

维也纳工业大学和柏林 FU 的研究人员首次测量了量子信息丢失时会发生什么，为量子物理学、热力学和信息论之间的深层联系提供了新的视角。

乍一看，热量和信息似乎是完全无关的概念。热和能是热力学的基石，热力学是物理学中最重要的领域之一。相比之下，信息论是一个探索数据如何存储和通信的数学领域。

但在 1960 年代，物理学家罗尔夫·兰道尔 （Rolf Landauer） 提出了一个大胆的主张：删除信息总是会带来能源成本。事实上，每次从存储设备中删除数据时，都会向环境中释放少量热量。这个被称为 Landauer 原理的想法揭示了热力学和信息科学之间的深刻联系。

现在，维也纳工业大学的科学家们又向前迈进了一步。他们首次在由许多粒子组成的复杂量子系统中测量了这种效应。他们的实验表明，当量子系统丢失信息时，当它“忘记”其状态时，能量和熵都会向周围环境进行可测量的转移。

“所谓的 Landauer 原则指出，删除信息从来都不是免费的，”维也纳工业大学原子研究所的 Jörg Schmiedmayer 教授说。“无论你如何存储信息，无论你多么经济和高效，删除一点信息总是至少会导致熵的一定增加，从而也会导致能量损失。”该原理在量子计算机中起着重要作用，并为基于量子物理学的信息处理设定了基本限制。

但现在的问题是：“删除”或“遗忘”在物理意义上意味着什么？毕竟，信息可能会以许多不同的方式丢失。你可以擦除用铅笔写的信息。你可以消磁磁性数据载体。但你也可以问：物理系统不也会因为时间的流逝而忘记信息吗？

有些物理系统的未来状态以清晰且可预测的方式从其当前状态开始。例如，如果您知道所有行星的位置和速度，您就可以非常精确地计算出行星在三个月后的位置 - 或者它们三个月前的位置。这意味着没有丢失任何信息。未删除任何数据。在系统的当前状态中，之前的状态在某种意义上仍然被存储。原则上，它可以被重建。

在量子物理学中，原则上也是如此，但前提是量子系统与其环境接触。例如，当您测量量子粒子的状态时，您不可避免地会使其与测量设备接触。信息从量子粒子传输到测量设备，以无法逆转的方式改变粒子的状态。信息以不可逆的单向过程从粒子渗入环境。

在维也纳工业大学，现在已经使用超冷原子云研究了这种现象。数千个铷原子被冷却并固定在原子芯片上。然后，突然间，两个这样的原子云落下，使它们能够自由传播并相互重叠。“现在我们将整个系统分为两部分，”进行实验的 Amin Tajik 说。“一部分作为我们的量子系统，我们对其进行分析。其余部分被定义为环境——我们的子系统与之交互的环境。

通过精确测量两个原子云之间的干涉，现在可以看到子系统如何与其环境相互作用，信息如何丢失以及熵如何传递。“没有测量设备可以直接同时记录这些变量，”柏林自由大学的理论家、理论团队成员斯特凡·艾梅特说，该理论团队与对观察到的现象进行建模并量化能量和信息流之间联系的理论家密切合作。

详细的分析表明，即使是这个复杂的多粒子系统也遵循 Rolf Landauer 规则。量子信息的缺失确实伴随着熵转移和能量损失。

“这是一个重要的确认，即信息和量子物理学确实像 Rolf Landauer 所认为的那样以如此令人兴奋和深刻的方式交织在一起，”柏林 FU 理论小组负责人 Jens Eisert 说。

“这也使我们更接近于理解量子物理学最基本的问题之一。这项工作特别令人兴奋的是对信息和热的见解，而这些信息和热并没有被 Landauer 原理直接涵盖，因为这已经是一个有效的定理。但这个超冷原子平台使我们能够定量探索有关测量过程的如此深刻的问题，这对量子技术也很重要。

参考资料：Stefan Aimet、Mohammadamin Tajik、Gabrielle Tournaire、Philipp Schüttelkopf、João Sabino、Spyros Sotiriadis、Giacomo Guarnieri、Jörg Schmiedmayer 和 Jens Eisert 于 2025 年 6 月 5 日发表的“在量子多体体系中实验探索兰道尔原理”，自然物理学。

来源：人工智能学家