热量从热流向冷，这一规律可靠至极，被写入了热力学第二定律。然而，在发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一项实验中，研究人员却引导热量反向流动：从冷的系统流向更热的系统，同时还能从机器中提取功。这一看似违反定律的现象背后的装置是量子开关，一种让操作以两种不同顺序的叠加态运行的电路，而这个把戏之所以能够成立，只因为有一位现代麦克斯韦妖在负责记账。
妖正是第二定律得以幸免的关键。自19世纪起，物理学家就知道，一个足够聪明的守门人原则上可以分拣快慢分子，把热量推向其自然流向的反面。使麦克斯韦妖与热力学相容的关键在于：妖必须记住自己放行了哪些分子，而擦除这段记忆需要耗费能量。在新实验中，由曲阜师范大学的满忠晓、巴勒莫大学的Rosario Lo Franco和香港大学的Giulio Chiribella共同领导的合作团队，把妖的记忆明确列为机器的一部分：一个控制量子比特，其每个循环的重置便是热量逆流而上的代价。
顺序的叠加
该实验利用了不定因果序，这是量子力学独有的一种资源。在量子开关中，处于0和1叠加态的控制量子比特决定过程A在过程B之前运行还是在其之后运行，从而使两种顺序同时并存。在光子实现中，来自下转换源的光子穿过长约1.8米（5.9英尺）的折叠干涉仪；光子的偏振充当系统量子比特，光子的路径充当控制比特。两个相同的热化通道均由波片和分束器构成，它们同时以两种顺序作用于系统。
系统初始处于温度T_S，通道作用的温度为T_E。对于比通道更热的系统，预期的结果是冷却：热量应当向外流出。然而，当控制量子比特在正确的叠加基下被测量时，系统的平均能量反而增加，这意味着热量从较冷的通道流入了较热的系统。这一效应出现在通道温度高于系统温度一半的区间内；在相反的情形下，即通道更热时，只要温度比保持在约1.45以下，就会出现反常冷却。在极端情况下，当两个系统温度恰好相等时，开关可以把系统驱动到无限大的有效温度，使得热量在完全热平衡的系统之间流动。
功从何而来
同一套装置还可以作为量子奥托发动机运行，这是一种四冲程热机循环。在反常分支中，机器从冷库吸收热量，向热库释放热量，这是制冷机的特征，同时它还输出净功。在经典情形下，这样的组合是不可能的：制冷机需要输入功，而一台还能同时制冷的发动机无异于永动机。
答案在于，这台发动机由擦除妖的记忆来供能。只有当控制量子比特被测得落于某一个特定结果时，循环才能进行；每一次成功的循环之后都必须重置控制比特，这一操作所消耗的功与丢弃的信息量成正比。研究人员把擦除成本计入发动机的性能系数，它在那里扮演着常规制冷机中电源插头的角色。若不加测量，反常流动会相互抵消：对两种控制结果取平均之后，热量传递便回到符合第二定律的经典值。
作者还指出了更深一层的微妙之处：同样的反常热流也可以借助确定因果序复现，只需使用一个从不叠加事件顺序的受控交换电路。因此，这一效应并不是不定因果序的独有见证。叠加态所贡献的是一条紧凑且实验上切实可行的路径：光子开关在单个干涉仪中实现了妖，而确定因果序的模拟则需要更加复杂的受控操作。
原理验证，亦有保留
实验中的温度是单光子偏振态的有效温度，而非宏观物体的温度；热流则是以控制测量条件下系统量子比特平均能量的变化来度量的。热化通道由光学手段模拟，最终结果来自16组独立的实验，经量子过程层析整合而成，通道保真度高于99%。这只是一个光学实验室中的原理验证，而不是一台能为你的咖啡降温的机器。
这项结果所确立的是：量子过程中热流的方向并不单由温度决定，第二定律的账本可以通过明确计入控制系统的信息而保持平衡。事实证明，妖的记忆正是账单的落点。这项发现为量子信息与热力学之间不断累积的研究再添一笔；在这些研究中，因果结构、相干性和测量不再是副作用，而是自身就具有价值的资源。未来的工作很可能将探索反常热流能否转化为量子热机中的实际优势，以及随着开关规模的扩大，擦除成本将如何增长。
婷 翻译
Sources
1. Qing-Feng Xue, Qi Zhang, Xu-Cai Zhuang, Yun-Jie Xia, Enrico Russo, Giulio Chiribella, Rosario Lo Franco, and Zhong-Xiao Man, “Anomalous Heat Flows and Quantum Otto Engine with (In)definite Causal Order,” Physical Review Letters 137, 030404 (2026). DOI: 10.1103/sx1m-pdhz. Preprint: arXiv:2511.04028.
2. Chaitanya Gupta, “Quantum principle allows heat to flow from cold to hot,” Physics World, August 10, 2026. https://physicsworld.com/a/quantum-principle-allows-heat-to-flow-from-cold-to-hot/
3. Ingrid Fadelli, “A quantum heat engine that simultaneously provides work and refrigeration,” Phys.org, July 26, 2026. https://phys.org/news/2026-07-quantum-simultaneously-refrigeration.html
4. Interesting Engineering, “New quantum heat engine produces work and refrigeration at same time.” https://interestingengineering.com/science/unusual-quantum-effect-heat-engine
5. Quantum Zeitgeist, “Quantum Otto cycle with indefinite causal order achieves anomalous heat,” November 11, 2025. https://quantumzeitgeist.com/quantum-otto-cycle-indefinite-causal-order-achieves-anomalous-heat/