Unikátní kvantový efekt při mazání objevených informací

Informace lze kódovat na pozici částice (vlevo nebo vpravo). Démon může odstranit klasický bit (modrý) zvednutím jedné strany, dokud není částice rozhodně na pravé straně. Kvantová částice (červená) může také tunelovat pod bariérou, což vytváří více tepla. Fotografický kredit: profesor Goold, Trinity College v Dublinu

Vědci z Trinity objevili jedinečný kvantový efekt v mazání informací, který může mít významný dopad na design Kvantové výpočty Brambůrky. Jejich překvapivý objev přináší do života paradoxního „Maxwellova démona“, který trápí fyziky již více než 150 let.

Termodynamika výpočtu se dostala do popředí v roce 1961, kdy Rolf Landauer, poté v IBM, objevil souvislost mezi rozptylem tepla a logicky nevratnými operacemi. Landauer je známý mantrou „Information is Physical“, která nám připomíná, že informace nejsou abstraktní a jsou zakódovány na fyzickém hardwaru.

„Bit“ je informační měna (může to být buď 0 nebo 1) a Landauer zjistil, že když je bit vymazán, uvolní se minimální množství tepla. Toto je známé jako Landauerův limit a je konečným spojením mezi teorií informací a termodynamikou.

Skupina QuSys profesora Johna Goolda v Trinity analyzuje tento předmět s přihlédnutím k kvantovému počítači a vymaže kvantový bit (qubit, který může být 0 a 1 současně).

V článku právě publikovaném v časopise Dopisy o fyzickém vyšetřeníSkupina zjistila, že kvantová povaha vymazávané informace může vést k velkým odchylkám v rozptylu tepla, které tradiční bitové mazání neumožňuje.

Termodynamika a Maxwellův démon

Sto let před objevem Landauera lidé jako vídeňský vědec Ludwig Boltzmann a skotský fyzik James Clerk Maxwell formulovali kinetickou teorii plynů, oživili starogréckou myšlenku přemýšlením o hmotě vytvořené z atomů a makroskopicky odvozenou termodynamikou z mikroskopické dynamiky.

Profesor Goold říká:

“Statistická mechanika nám říká, že věci jako tlak a teplota a dokonce i samotné zákony termodynamiky lze pochopit průměrným chováním atomových složek hmoty.” Druhý zákon termodynamiky se týká takzvané entropie, která je mírou rušení v procesu. Druhý zákon stanoví, že bez vnějšího zásahu mají všechny procesy ve vesmíru v průměru tendenci zvyšovat svou entropii a dosáhnout stavu známého jako tepelná rovnováha.

“Ukazuje nám, že dva plyny při různých teplotách po smíchání dosáhnou nového stavu rovnováhy při průměrné teplotě těchto dvou.” Jedná se o nejvyšší zákon v tom smyslu, že mu podléhá každý dynamický systém. Neexistuje žádný únik: všechny věci dosáhnou rovnováhy, včetně vás! “

Zakladatelé statistické mechaniky se však od začátku kinetické teorie snažili vyrazit díry do druhého zákona. Zvažte znovu příklad plynu v rovnováze: Maxwell si představoval hypotetickou bytost s „čistými prsty“, která dokáže sledovat a třídit částice v plynu na základě jejich rychlosti.

Maxwellův démon, jak se stvoření stalo známým, mohl rychle otevřít a zavřít padací dveře v krabici s plynem a nechat horké částice projít na jedné straně krabice, ale omezit studené na druhou. Zdá se, že tento scénář je v rozporu s druhým zákonem termodynamiky, protože se zdá, že celková entropie klesá a zrodil se možná nejslavnější paradox ve fyzice.

Ale co Landauerův objev o nákladech na mazání informací rozptylujících teplo? Trvalo dalších 20 let, než se to plně uskutečnilo, paradox se vyřešil a Maxwellův démon nakonec vymítl.

Landauerova práce inspirovala Charlieho Bennetta – také ve společnosti IBM – prozkoumat myšlenku reverzibilního výpočtu. V roce 1982 Bennett tvrdil, že démon musí mít paměť a že neměřování, ale mazání informací v paměti démona je čin, který obnovuje druhý zákon v paradoxu. Ve výsledku se zrodila výpočetní termodynamika.

Nové poznatky

Nyní, o 40 let později, se do popředí dostává nové dílo skupiny profesora Goolda se zaměřením na termodynamiku kvantového výpočtu.

V nedávno publikovaném článku, společně publikovaném s Harrym Millerem z University of Manchester a dvěma postdokty ze skupiny Quinity společnosti Trinity, Markem Mitchisonem a Giacomem Guarnierim, tým pečlivě prozkoumal experimentálně realistický proces mazání, který využívá kvantové překrytí (qubit) povoleno může být ve stavu 0 a 1 současně).

Profesor Goold vysvětluje:

“Ve skutečnosti fungují počítače daleko od limitu rozptylu tepla Landauera, protože to nejsou dokonalé systémy.” Stále je však důležité přemýšlet o limitu, protože s postupující miniaturizací počítačových komponent se tento limit pro kvantové počítače zužuje a stává se relevantnějším. Úžasné je, že s dnešní technologií můžete skutečně studovat mazání, jak se blíží tomuto limitu.

„Zeptali jsme se:‚ Jaký rozdíl má tato jasně kvantová vlastnost v protokolu výmazu? ‘ A neočekávali jsme odpověď: zjistili jsme, že i v ideálním protokolu mazání – kvůli kvantovému překrytí – dochází k velmi vzácným událostem, které vydávají teplo, které je vysoko nad limitem Landauer.

“V práci matematicky dokazujeme, že tyto události existují a jsou jedinečnou kvantovou vlastností.” Jedná se o mimořádně neobvyklé zjištění, které by mohlo být velmi důležité pro tepelné řízení budoucích kvantových čipů – i když je zde ještě mnohem více práce, zejména při analýze rychlejších operací a termodynamiky jiných implementací brány.

„V roce 2020 bude Maxwellov démon nadále klást zásadní otázky týkající se přírodních zákonů.“

Odkaz: „Kvantové fluktuace brání vymazání informací s konečným časem poblíž limitu Landauer“, autor: Harry JD Miller, Giacomo Guarnieri, Mark T. Mitchison a John Goold, 15. října 2020, Dopisy o fyzickém vyšetření.
DOI: 10,1103 / PhysRevLett.125.160602

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Naneste na krém Deep Heat

Podle Experimentální biologie 6. května 2021 Studie odhalila zvýšení aerobního výkonu u sportovců, kteří používali krém s hlubokým teplem bez lékařského předpisu. Hluboké tepelné krémy, které sportovci...

Skladování obnovitelné energie v kamenech místo lithiových baterií

V případě přebytku elektřiny z větru nebo slunce se energetická rezerva nabije. To se děje prostřednictvím systému kompresorů a turbín, které čerpají tepelnou...

Byly vyvinuty ploché nudle, které se při vaření transformují do tvaru

CMU Lab vede vývoj nudlí, které se při vaření transformují do tvaru. Fotografický kredit: Carnegie Mellon University Ploché nudle zajišťují udržitelnější balení, přepravu a...

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Newsletter

Subscribe to stay updated.