麦克斯韦妖与信息处理的物理极限

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1、评述麦克斯韦妖与信息处理的物理极限*2013－09－16收到†email：cpsun@csrc.ac.cn1，†2，††孙昌璞全海涛††email：htquan@pku.edu.cn(1中国工程物理研究院北京计算科学研究中心北京100084)DOI：10.7693/wl20131101(2北京大学物理学院北京100871)Maxwell'sdemonandthephysicallimitsoninformationprocessing1，†2，††SUNChang-PuQUANHai-Tao(1Beiji

2、ngComputationalScienceResearchCenter，ChineseAcademyofEngineeringPhysics，Beijing100084，China)(2SchoolofPhysics，PekingUniversity，Beijing100871，China)摘要文章系统地评述了麦克斯韦妖佯谬相关的热力学基本观念的发端、历史沿革以及当前正在发展的科学前沿问题。文章作者从以下两个方面详细地阐述了为什么信息处理过程本质上是一个与麦克斯韦妖观念相“纠缠”的物理过程：(1)信息认

3、知和提取可以辅助物理系统更有效地做功；(2)物理定律会对信息处理过程施加一个不可逾越的物理极限。这些分析与概念的澄清将有助于正确理解计算过程和热力学之间的关系。关键词麦克斯韦妖，信息处理，热力学熵，兰道尔原理AbstractWereviewtheoriginandhistoricalevolutionofthefundamentalconceptsregard-ingMaxwell’sdemonaswellasthelatestdevelopmentsatthefrontiersofscientificr

4、esearchderivedfromtheparadox.Itisdemonstratedfromtwocomplementaryaspectsthatinformationprocessingisaprocessthatisinessence“entangled”withtheconceptofMaxwell’sdemon:(1)Aphysicalsystemcanworkmoreefficientlybyacquiringinformation,and(2)physicallawsimposeanul

5、timatelimitontheenergydissipationduringinformationprocessing.Ouranalysisandclarificationoftheseconceptsshouldpromoteourunderstandingoftheintrinsicrelationbetweencomputationprocessesandthethe-oryofthermodynamics.KeywordsMaxwell'sdemon,informationprocessing

6、,thermodynamicentropy,Landauer'sprinciple的经典、宏观领域，这个定律得到迄今为止所有1引言实验的支持，业已成为一个常识性的真理。但是，怎样从微观角度理解热力学第二定律却经常众所周知，热力学的许多原理通常表述为能是莫衷一是，众说纷纭，甚至会导致一些违反这量从一种形式转化为另一种形式的不可能性。例一常识性真理的永动机设想的产生。特别是将它如，热力学第二定律的开尔文表述是：通过一个应用到计算科学领域时，其间的一些说辞更是有热力学循环，不可能从一个单一热源提取能量做*国家自

7、然科学基金（批准号：11121403，11375012）、国家重点基[1，2]功，而不对外界产生影响。在与日常生活相关础研究发展计划（批准号：2012CB922104）资助项目；青年千人计划项目·756··42卷(2013年)11期失严谨，例如，改进材料性能可以使计算机不消从麦克斯韦(J.C.Maxwell)最早提出的热力学佯谬耗能量不散热。要回答计算过程原理上是否需要谈起，并论及希拉德(L.Szilard)利用单分子热机消耗能量，就必须了解当代与麦克斯韦妖(Max-模型对此热力学佯谬进行的精确表述，然后

8、给出兰well’sdemon)佯谬相关的热力学科学前沿的发展。道尔原理一个直观的证明，以演示信息擦除为什么[3]麦克斯韦妖是理想实验中的智慧精灵。在必定要耗功并产生热，使得热力学对计算过程施麦克斯韦假想实验中，它可以区分容器中每个分加一个物理极限。我们还以单分子热机为例，阐子的速度，并据此打开和关闭容器中间隔板上的述贝奈特(C.H.Bennett)是怎样从可逆计算的研究阀门，使得原本温度均匀分布的气体分子最终按受到启发，利用兰