(Phys.org)—Een paar jaar geleden, natuurkundigen hebben aangetoond dat het mogelijk is om informatie te wissen zonder energie te gebruiken, in tegenstelling tot de veronderstelling destijds dat het wissen van informatie energie moet kosten. In plaats daarvan, de wetenschappers toonden aan dat de kosten van wissen kunnen worden betaald in termen van een willekeurige fysieke hoeveelheid zoals het draaiimpulsmoment - wat suggereert dat warmte-energie niet de enige geconserveerde hoeveelheid is in de thermodynamica.

Dit idee verder onderzoeken, natuurkundigen Toshio Croucher, Salil Bedkihal, en Joan A. Vaccaro van het Center for Quantum Dynamics, Griffith-universiteit, Brisbane, Queensland, Australië, hebben nu enkele interessante resultaten ontdekt over de kleine fluctuaties in de spinkosten van het wissen van informatie. Het werk zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe soorten warmtemotoren en informatieverwerkingsapparatuur.

Zoals de wetenschappers uitleggen in een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de mogelijkheid dat informatie kan worden gewist zonder energiekosten is in eerste instantie verrassend vanwege het feit dat energie en entropie zo nauw verwant zijn in de thermodynamica. In het kader van informatie, het wissen van informatie komt overeen met het wissen van entropie (of een afname van entropie) en vereist daarom een ​​minimale hoeveelheid energie, die wordt bepaald door het verwijderingsprincipe van Landauer.

Aangezien het wisprincipe van Landauer gelijk is aan de tweede wet van de thermodynamica, het nul-energie-uitwissingsschema met behulp van willekeurige geconserveerde hoeveelheden kan worden gezien als een algemene tweede wet van de thermodynamica. Dit idee dateert van minstens 1957, toen E.T. Jaynes een alternatief voorstelde voor de tweede wet waarin warmte-energie op een algemenere manier dan gebruikelijk wordt beschouwd, zodat warmte andere soorten geconserveerde hoeveelheden opneemt.

Door dit raamwerk toe te passen op het wissen van informatie, in 2011 toonden Vaccaro en Stephen Barnett aan dat de energiekosten van het wissen van informatie kunnen worden vervangen door een of meer verschillende geconserveerde hoeveelheden, met name:draaiimpulsmoment.

Een belangrijk verschil tussen warmte-energie en spinimpulsmoment is dat, terwijl warmte al dan niet kan worden gekwantiseerd, spinimpulsmoment is een intrinsiek kwantummechanische eigenschap, en dus wordt het altijd gekwantiseerd. Dit heeft implicaties als het gaat om het rekening houden met kleine fluctuaties in deze hoeveelheden die significant worden bij het ontwerpen van systemen op nanoschaal.

Wetenschappers hebben deze fluctuaties pas recentelijk onderzocht in de context van het Landauer-principe, waar ze ontdekten dat deze fluctuaties snel worden onderdrukt door iets dat de Jarzynski-gelijkheid wordt genoemd. Dit betekent dat schommelingen in warmte-energie slechts een zeer kleine kans hebben om het Landauer-principe te schenden.

In de nieuwe studie de wetenschappers hebben voor het eerst de bijbehorende discrete fluctuaties onderzocht die optreden bij het wissen van informatie met behulp van spin.

Onder hun resultaten, de onderzoekers ontdekten dat de discrete fluctuaties nog sneller worden onderdrukt dan voorspeld door de overeenkomstige Jarzynski-gelijkheid voor 'spinarbeid' - een nieuwe term die de wetenschappers bedachten en die het spin-equivalent van werk betekent. Dit is het eerste bewijs van het verslaan van deze grens in een context van het wissen van informatie. De snelle onderdrukking betekent dat de fluctuaties een extreem lage kans hebben om minder te gebruiken dan de minimale kosten die nodig zijn om informatie te wissen met behulp van spin, zoals gegeven door de Vaccaro-Barnett gebonden, wat het spin-equivalent is van het Landauer-principe.

"Ons werk generaliseert fluctuatierelaties voor wissen met behulp van willekeurige geconserveerde hoeveelheden en legt de rol van discretie in de context van wissen bloot, " vertelde Bedkihal Phys.org . "We hebben ook een waarschijnlijkheid van overtreding verkregen die strakker is dan de overeenkomstige Jarzynski-grens. Dit is een statistisch significant resultaat."

De wetenschappers wijzen er ook op dat dit proces van het wissen van informatie met spin al experimenteel is aangetoond, al lijkt het onopgemerkt te zijn gebleven. Bij spin-uitwisseling optisch pompen, licht wordt gebruikt om elektronen in een atoom te exciteren naar een hoger energieniveau. Om de elektronen tijdens het relaxatieproces terug te laten keren naar hun lagere energieniveau, atomen en kernen botsen met elkaar en wisselen spins uit. Dit entropie-verlagende proces kan worden beschouwd als analoog aan het wissen van informatie ten koste van spin-uitwisseling.

Algemeen, de nieuwe resultaten onthullen inzicht in de thermodynamica van spin en kunnen ook richtinggevend zijn voor de ontwikkeling van toekomstige toepassingen. Dit kunnen nieuwe soorten warmtemotoren zijn en informatieverwerkende apparaten op basis van uitwissing die goedkope, lokaal beschikbare middelen zoals spinimpulsmoment. De onderzoekers zijn van plan deze mogelijkheden in de toekomst verder uit te werken.

"Het wismechanisme kan worden gebruikt om gegeneraliseerde warmtemotoren te ontwerpen die werken onder de reservoirs van meerdere geconserveerde hoeveelheden zoals een thermisch reservoir en een spinreservoir, "Zei Bedkihal. "Bijvoorbeeld, men kan warmtemotoren ontwerpen die gebruik maken van halfgeleider kwantumpuntsystemen waarbij roostertrillingen een thermisch reservoir vormen en kernspins een gepolariseerd spinreservoir. Dergelijke warmtemotoren gaan verder dan de traditionele Carnot-warmtemotor die onder twee thermische reservoirs werkt."

© 2017 Fys.org