Термодинамика вычислений была выдвинута на первый план в 1961 году, когда Рольф Ландауэр, тогда работавший в IBM, обнаружил связь между рассеянием тепла и логически необратимыми операциями. Ландауэр известен своей мантрой «Информация является физической», которая напоминает нам, что информация не является абстрактной и кодируется на физическом оборудовании.
«Бит» – это валюта информации (может быть 0 или 1), и Ландауэр обнаружил, что когда бит стирается, выделяется минимальное количество тепла. Это известно как граница Ландауэра и является окончательной связью между теорией информации и термодинамикой.
Группа QuSys профессора Джона Гулда в Trinity анализирует эту тему с учетом квантовых вычислений, когда квантовый бит (кубит, который может быть 0 и 1 одновременно) стирается.
В только что опубликованной работе в журнале Physical Review Letters группа обнаружила, что квантовый характер удаляемой информации может привести к большим отклонениям в тепловыделении, которого нет при обычном стирании битов.
Термодинамика и демон Максвелла
За сто лет до открытия Ландауэра такие люди, как венский ученый Людвиг Больцман и шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, формулировали кинетическую теорию газов, возрождая старую идею древних греков, размышляя о материи, состоящей из атомов, и выводили макроскопические данные. термодинамика из микроскопической динамики.
Профессор Гулд говорит:
«Статистическая механика говорит нам, что такие вещи, как давление и температура, и даже сами законы термодинамики, можно понять по усредненному поведению атомных составляющих материи. Второй закон термодинамики касается того, что называется энтропией, которая, в двух словах, является мерой беспорядка в процессе.
Второй закон говорит нам, что при отсутствии внешнего вмешательства все процессы во Вселенной имеют тенденцию в среднем увеличивать свою энтропию и достигать состояния, известного как тепловое равновесие.
"Это говорит нам о том, что при смешивании два газа при разных температурах достигнут нового состояния равновесия при средней температуре двух газов. Это высший закон в том смысле, что ему подчиняется каждая динамическая система. Выхода нет: все достигнет равновесия, даже ты!"
Однако отцы-основатели статистической механики пытались найти дыры во втором законе с самого начала кинетической теории. Рассмотрим еще раз пример газа в равновесии: Максвелл представил гипотетическое «аккуратное» существо, способное отслеживать и сортировать частицы в газе в зависимости от их скорости.
Демон Максвелла, как стало известно существо, мог быстро открывать и закрывать люк в ящике с газом и пропускать горячие частицы с одной стороны ящика, но ограничивать холодные частицы с другой. Этот сценарий, кажется, противоречит второму закону термодинамики, поскольку общая энтропия, кажется, уменьшается, и, возможно, родился самый известный парадокс физики.
Но как насчет открытия Ландауэра о расходе тепла на стирание информации?? Что ж, потребовалось еще 20 лет, прежде чем это было полностью осознано, парадокс разрешен и демон Максвелла, наконец, изгнан.
Работа Ландауэра вдохновила Чарли Беннета – тоже в IBM – на исследование идеи обратимых вычислений.
В 1982 году Беннетт утверждал, что у демона должна быть память, и что не измерение, а стирание информации в памяти демона является действием, восстанавливающим второй закон парадокса. И в результате родилась вычислительная термодинамика.
Новые открытия
Теперь, спустя 40 лет, именно здесь на первый план выходит новая работа, возглавляемая группой профессора Гулда, с упором на термодинамику квантовых вычислений.
В недавней статье, опубликованной с соавтором Гарри Миллером из Манчестерского университета и двумя постдокторантами из QuSys Group в Тринити, Марком Митчисоном и Джакомо Гварнери, команда очень тщательно изучила экспериментально реалистичный процесс стирания, который позволяет квантовую суперпозицию (кубит может быть в состоянии 0 и 1 одновременно).
Профессор Гулд объясняет:
"На самом деле компьютеры работают далеко от пределов Ландауэра по рассеиванию тепла, потому что они не идеальные системы.
Однако по-прежнему важно думать о границе, потому что по мере продолжения миниатюризации вычислительных компонентов эта граница становится все ближе и становится все более актуальной для квантовых вычислительных машин. Что удивительно, так это то, что в наши дни с помощью технологий вы действительно можете изучить стирание, приближаясь к этому пределу.
«Мы спросили:« Чем отличается эта явно квантовая функция от протокола стирания??’И ответ был тем, чего мы не ожидали. Мы обнаружили, что даже в идеальном протоколе стирания – из-за квантовой суперпозиции – вы получаете очень редкие события, которые рассеивают тепло намного больше, чем предел Ландауэра.
"В статье мы математически доказываем, что эти события существуют и являются уникальной квантовой особенностью. Это в высшей степени необычное открытие, которое может быть действительно важно для управления теплом на будущих квантовых микросхемах – хотя предстоит еще многое сделать, в частности, в анализе более быстрых операций и термодинамики других реализаций вентилей.
"Даже в 2020 году демон Максвелла продолжает ставить фундаментальные вопросы о законах природы."