cmdunlop的部落格

由這篇中文來解釋量子電腦如何實現 熱力學所說的不可逆反應

顛覆熱力學第二定律！物理學家用 IBM 量子電腦讓「時間倒回」了

其實寫這篇算是我最大的挑戰，因為要討論這這麼學術性，有些我還沒辦法兼顧到所有說法結合，或許寫得文字中有點語意不清，還請見諒，因為這有點像是寫報告（論文）似的，但是在這部落格中要如何將此言論轉換成引擎解釋，有點難。若有興趣可以提出討論，或許可以將此討論修正更完善 （ 猶如機油那篇也是一樣） 。

這篇有附上原文，若英文能力比較強，可以直接看此下面兩個連結

Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer

Physicists reverse time using quantum computer

以第一個連結其實原文說真的要認真看，還真的看不懂，原因他採用聲波與電路（下圖）來進行系統描述，並且使用共軛方程式來進行。而中文採用第二個連結來描述系統，這個部分會比較清楚一些。

◎共軛：在量子力學中指算符不對易的物理量。

接下來，先瞭解何謂熱力學第二定律

wikipedia 所描述的是熱力學第二定律（英語：second law of thermodynamics）是熱力學的三條基本定律之一，表述熱力學過程的不可逆性——孤立系統自發地朝著熱力學平衡方向──最大熵狀態──演化，同樣地，第二類永動機永不可能實現。

pedia.cloud.edu.tw所描述的是研究熱作為不同於功的另一種能量傳遞方式的本性，它反映了熱總是從高溫傳到低溫而不能從低溫傳到高溫這一經驗事實。

第二定律有兩種說法：沒有一種熱機可以在完成一個循環過程以後，僅僅從外界吸熱，並把這些熱流完全轉變為對外界所作的功-卡爾文(Kevin)和蒲朗克(Planck)的說法。沒有一種致冷機，在完成一循環過程後，能夠把熱流從低溫，熱庫抽到高溫熱庫去，而不需要外界對它作功-克勞秀士(Clausius)的說法。

熵從初態的S1變到終態的S2，熵的增加量等於系統吸收的熱量與其熱力學溫度之比：S2－S1=Q/T。

ezphysics.nchu.edu.tw簡單來講是熱力學第二定律分為三種形式：
形式一:如果沒有其他變化的存在，要將熱完全轉變為功是不可能的，完全熱機不存在。
形式二:如果沒有其他變化的存在，熱不可能由低溫物體傳遞至高溫物體，完全冷機不存在。
形式三:任何熱力學過程由一平衡態變化到另一平衡態時，系統加環境的熵保持不變或增加。

由上述定律來講是不可逆狀況，但是用熱力學第二定律最重要的是熵（Entropie）卻是有可逆狀況產生，這不就是會打破這個熱力學第二定律問題，其實是沒有的，因為當處於可逆狀況下熵的數值將會是為零或者是不變，而不可逆下熵的數值將會增加。

所以熱力學系統從一個平衡態到另一平衡態的過程中，其熵永不減少：若過程可逆，則熵不變；若不可逆，則熵增加。

所以也就是這樣的理論基礎下發展出卡諾循環

是由兩個絕熱過程，兩個等溫過程組成的循環。利用熱力學第一定律和理想氣體狀態方程式，可以得到其效率

卡諾循環全由可逆過程組成，其中包括：
•    圖一A→B、圖二1→2，可逆等溫膨脹：此等溫的過程中系統從高溫熱庫吸收了熱量且全部拿去作功。
•    圖一B→C、圖二2→3，等熵（可逆絕熱）膨脹：移開熱庫，系統對環境作功，其能量來自於本身的內能。
•    圖一C→D、圖二3→4，可逆等溫壓縮：此等溫的過程中系統向低溫熱庫放出了熱量。同時環境對系統作正功。
•    圖一D→A、圖二4→1，等熵（可逆絕熱）壓縮：移開低溫熱庫，此絕熱的過程系統對環境作負功，系統在此過程後回到原來的狀態。

               圖一：卡諾循環的溫度－熵圖                                        圖二：卡諾循環的壓力－體積圖

卡諾循環 會對後來我們所講的Otto cycle與Diesel cycle有深遠的影響（當然有些包含冷凍機循環也是一樣）

但是卡諾循環是可逆反應，其實卡諾在不可逆狀況下就是我們所謂的熱機，但是在可逆狀況下是我們所謂的冷機（熱機就是如需要熱能來做功，但是冷機就是用功來轉換成熱能）

卡諾熱機的熱效率只取決於第一個狀態的溫度T1與第二個狀態的溫度T2，以及從環境中吸收的熱量Q1和放出的熱量Q2，其熱效率

其熱效率恆小於1，只和高溫和低溫的熱源有關，兩者溫差越大，效率越高。因存在於現實中的熱機都是以不可逆循環來工作，相同狀態下沒有任何熱機的效率可以達到以皆由可逆過程組成的可逆循環來工作的卡諾熱機的效率。

所以之前我有PO這篇文章可以參考這個

為什麼天氣熱會有比較沒有馬力感

當時候並沒有講很清楚只是提一下 ，雖然這個熱效率也不能引用這個來講，但是用這個概念來場述

OK，熱力學我想這樣描述應該會比較清楚一點，另外卡諾循環如何轉換成Otto與Diesel 循環，這若有空的話在另開篇幅討論。

猶如熱力學第二定律而言，任何要將熱完全轉變為功是不可能的，完全熱機不存在。這代表說熱力學開宗明義說明，熱不可能100%轉換成功，這個就是熵的影響。

通過熵增加原理，可以得到對於一個孤立系統，其內部自發進行的與熱相關的過程必然向熵增的方向進行。而孤立系統不受外界任何影響，且系統最終處於平衡態，則在平衡態時，系統的熵取最大值。由此，熵增加原理則可作為不可逆過程準則。所以熵將會越來越紊亂(至於甚麼原因會紊亂應該是熵增加所造成的)，當系統達到平衡時，此時能量將會耗盡。所以說不可能成為永動機。

所以量子電腦的運算讓時間回復這點，為何會說造成熱力學的理論破壞，原因在於時間可以回復。因為熱力學在熵部分中

他是對時間的反應變化，所以當時間經過一切之後將之系統平衡。所以對這個公式而言若時間是可逆的話則這系統將會達到反覆運作，這樣就沒有能量損失。

若假設不平衡狀態熵將會成為零，或者在物理學初級課程中，學生會將熱力學應用到汽車引擎等動態系統中，以計算功率等數值，但這樣的應用隱含著一個假設，就是我們將動態過程視為一連串理想的平衡狀態。也就是說，即使這個平衡狀態時時在變化，我們仍然假設系統一直處於平衡狀態。結果，我們計算出來的功率只是最大值，引擎的實際功率會略低一點，因為引擎其實是在非平衡狀態下運轉。這是為何引擎處於非平衡狀態下運轉，因為我們假設的情況下熱源是單一非連續性供給，所以跟實際狀況下是不一樣的情況，我們實際上引擎連續運轉，而這個連續運轉是從燃料供給的。

所以量子電腦運算的結果證明這些反應是可以逆的，但是為何實際狀況中卻無法進行永動機的運行實現。這就關於相對論與量子力學並無法匹配的說法是一樣的。

因為量子力學是微觀世界來討論系統的，而傳統物理是以廣大世界來討論系統(尤其這個就是利用經驗法則來求得)

所以這篇文章有提出一個觀念

『因為量子電腦一個位元同時可以是 0 或是 1 個特性，目前只有量子電腦有辦法成功完成時光倒轉的實驗。當實驗只涵蓋 2 個量子位元（Qubit），時光倒回的成功率高達 85%，但當涵蓋 3 個量子位元，複雜度提高便讓成功度降低至 50%。且實驗目前只能倒回不出 1 秒的現實。』

因為這樣對於傳統而言是不受影響的，但是若量子力學可以達成的話，那麼傳統物理是否也能這樣達成，基本上好像牛頓力學有提到過可以可逆，這部分需要查證，若牛頓力學可以提出可逆現象，那麼基本上永動機是有可能實現。

目前科學家正在將傳統物理與量子力學來整合起來看是否能夠描述目前有些無法預測的情況，這部分等待科學家的努力來達成。

參考資料

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E7%AC%AC%E4%BA%8C%E5%AE%9A%E5%BE%8B

http://ezphysics.nchu.edu.tw/ccp/thermodynamics/t3.htm

https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=featurearticles&id=3149

https://pedia.cloud.edu.tw/Entry/Detail/?title=%E7%86%B1%E5%8A%9B%E5%AD%B8%E7%AC%AC%E4%BA%8C%E5%AE%9A%E5%BE%8B

http://ezphysics.nchu.edu.tw/ccp/thermodynamics/t3.htm

http://boson4.phys.tku.edu.tw/general_physics/week-04_day-3__entropy_n_the_2nd_law_of_thermodynamics.html

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%A1%E8%AF%BA%E5%BE%AA%E7%8E%AF