量子力学和热力学的冲突，如何在光子芯片上解决

一篇最近发表在《自然通讯》杂志上的论文，它展示了如何在一个可编程的量子光子芯片上实现热力学量子模拟。这是一个非常有趣和重要的实验，因为它解决了一个长期困扰物理学家的悖论：量子力学和热力学之间的关系。

量子力学和热力学之间的悖论

我们都知道，量子力学描述了微观世界中粒子的行为，而热力学描述了宏观世界中系统的状态和变化。量子力学告诉我们，一个封闭的量子系统（例如一个原子或一个光子）的状态是由一个波函数来描述的，它遵循薛定谔方程进行幺正演化，也就是说，它是信息保持和时间可逆的。热力学告诉我们，一个开放的热力学系统（例如一个气体或一个液体）的状态是由一个温度、压强、体积等宏观参数来描述的，它遵循熵增原理进行不可逆演化，也就是说，它是信息损失和时间不对称的。

那么，这两种描述之间有什么联系呢？如果我们把一个大量粒子组成的系统看作是一个封闭的量子系统，那么它应该遵循幺正演化，而不是不可逆演化。但是，我们在实际观察中却发现，这样的系统会趋向于平衡态，也就是最大化熵的态。这就好像有一个隐形的热浴在影响系统的演化，使得系统失去了纯度和相干性。这就是所谓的量子-热力学悖论。

实验的原理和方法

为了解决这个悖论，物理学家们提出了一个重要的观点：局部平衡。这个观点认为，尽管整个封闭量子系统遵循幺正演化，但是如果我们只关注系统中的一部分（例如一个粒子或一组粒子），那么它们会受到其他部分（环境）的影响而达到平衡态。换句话说，局部系统会看起来像是处于一个统计系综中，而不是一个纯态。这个统计系综可以用一些局部可观测量（例如能量、角动量等）来刻画，它们被称为运动常数。如果我们考虑所有可能的运动常数，那么我们就得到了一个广义吉布斯系，它是最大化局部熵的系综。

那么如何验证这个观点呢？我们需要做两件事：一是证明局部系统确实会收敛到广义吉布斯系综；二是证明整个系统仍然保持幺正演化和纯度。这就是这篇论文的实验目的。为了实现这个目的，作者们使用了一个可编程的量子光子芯片，它可以模拟任意的非相互作用哈密顿量。也就是说，它可以用线性光学元件（例如波导、分束器、相位器等）来控制光子的传播和干涉。这样，他们就可以制备出任意的初始态（例如非高斯态），并让它们在芯片上进行幺正演化。

具体来说，他们使用了四个光子作为量子系统，其中两个光子作为局部系统，另外两个光子作为环境。他们首先用一个非线性晶体产生四个纠缠光子，然后用一个可调节的分束器将它们分成两路，一路进入芯片，另一路进入一个参考臂。在芯片上，他们用一系列的波导和分束器来模拟不同的哈密顿量，从而改变局部系统和环境之间的耦合强度和时间。在参考臂上，他们用一个相位器来调节参考光子的相位。最后，他们用四个单光子探测器来测量出芯片出口和参考臂出口的四个光子的关联。通过这种方法，他们可以同时获得局部系统的约化密度矩阵和整个系统的纯度。

实验的结果和意义

实验的结果显示，当局部系统和环境之间的耦合增强时，局部系统会逐渐收敛到广义吉布斯系综，而整个系统仍然保持幺正演化和纯度。这就验证了局部平衡的观点，并解决了量子-热力学悖论。此外，实验还展示了如何用一种高效的方法来证明整个系统的纯度，即利用参考光子与芯片出口光子之间的关联。这种方法比传统的量子态重构要简单得多，因为它只需要测量一次而不是多次。

这篇论文的意义在于，它首次在实验上展示了如何在一个可编程的量子光子芯片上实现热力学量子模拟，并验证了局部平衡的观点。这不仅为理解量子力学和热力学之间的关系提供了新的视角，也为利用光子设备进行涉及非高斯态的量子模拟提供了新的可能性。