Onderzoekers van Trinity hebben een uniek kwantumeffect ontdekt bij het wissen van informatie die belangrijke implicaties kan hebben voor het ontwerp van kwantumcomputerchips. Hun verrassende ontdekking brengt de paradoxale "Maxwell's demon, " die natuurkundigen al meer dan 150 jaar kwelt.

De thermodynamica van berekeningen kwam in 1961 op de voorgrond toen Rolf Landauer, dan bij IBM, ontdekte een verband tussen de afvoer van warmte en logisch onomkeerbare operaties. Landauer staat bekend om de mantra "Informatie is fysiek, " wat ons eraan herinnert dat informatie niet abstract is en is gecodeerd op fysieke hardware.

De "bit" is de valuta van informatie (het kan nul of één zijn) en Landauer ontdekte dat wanneer een bit wordt gewist, er een minimale hoeveelheid warmte vrijkomt. Dit staat bekend als de grens van Landauer en is de definitieve link tussen informatietheorie en thermodynamica.

Professor John Goold's QuSys-groep aan Trinity analyseert dit onderwerp met kwantumcomputing in gedachten, waarbij een kwantumbit (een qubit, die tegelijkertijd nul en één kan zijn) wordt gewist.

In pas gepubliceerd werk in het tijdschrift, Fysieke beoordelingsbrieven , de groep ontdekte dat het kwantumkarakter van de te wissen informatie kan leiden tot grote afwijkingen in de warmteafvoer, die niet aanwezig is bij conventioneel bit wissen.

Thermodynamica en de demon van Maxwell

Honderd jaar voor de ontdekking van Landauer waren mensen zoals Weense wetenschappers, Ludwig Boltzmann, en Schotse natuurkundige, James Clerk Maxwell, formuleerden de kinetische theorie van gassen, een oud idee van de oude Grieken nieuw leven inblazen door na te denken over materie die uit atomen bestaat en macroscopische thermodynamica af te leiden uit microscopische dynamica.

Professor Goold zegt:"Statistische mechanica vertelt ons dat zaken als druk en temperatuur, en zelfs de wetten van de thermodynamica zelf, kan worden begrepen door het gemiddelde gedrag van de atomaire bestanddelen van materie. De tweede wet van de thermodynamica betreft iets dat entropie wordt genoemd en dat, in een notendop, is een maat voor de wanorde in een proces. De tweede wet vertelt ons dat bij afwezigheid van externe interventie, alle processen in het universum hebben de neiging, gemiddeld, om hun entropie te vergroten en een toestand te bereiken die bekend staat als thermisch evenwicht.

"Het vertelt ons dat, wanneer gemengd, twee gassen bij verschillende temperaturen zullen een nieuwe evenwichtstoestand bereiken bij de gemiddelde temperatuur van de twee. Het is de ultieme wet in die zin dat elk dynamisch systeem eraan onderworpen is. Er is geen ontkomen aan:alle dingen zullen in evenwicht komen, zelfs jij."

Echter, de grondleggers van de statistische mechanica probeerden vanaf het begin van de kinetische theorie gaten te prikken in de tweede wet. Beschouw nog eens het voorbeeld van een gas in evenwicht:Maxwell stelde zich een hypothetisch wezen voor met "nette vingers" dat de mogelijkheid heeft om deeltjes in een gas te volgen en te sorteren op basis van hun snelheid.

Maxwells demon, zoals het wezen bekend werd, kan snel een luik openen en sluiten in een doos met een gas, en laat hete deeltjes door naar de ene kant van de doos, maar beperk de koude tot de andere. Dit scenario lijkt in tegenspraak met de tweede wet van de thermodynamica, aangezien de algemene entropie lijkt af te nemen en misschien wel de beroemdste paradox van de natuurkunde werd geboren.

Maar hoe zit het met de ontdekking van Landauer over de warmteafvoerende kosten van het wissen van informatie? We zullen, het duurde nog 20 jaar voordat dat volledig werd gewaardeerd, de paradox opgelost, en Maxwell's demon eindelijk uitgedreven.

Het werk van Landauer inspireerde Charlie Bennett - ook bij IBM - om het idee van omkeerbaar computergebruik te onderzoeken. In 1982 betoogde Bennett dat de demon een geheugen moet hebben, en dat niet de meting, maar het wissen van de informatie in het geheugen van de demon de handeling is die de tweede wet in de paradox herstelt. En, als resultaat, computationele thermodynamica was geboren.

Nieuwe bevindingen

Nutsvoorzieningen, 40 jaar later, hier komt het nieuwe werk onder leiding van de groep van professor Goold naar voren, met de schijnwerpers op de thermodynamica van kwantumberekeningen.

In de recente krant gepubliceerd met medewerker Harry Miller aan de Universiteit van Manchester en twee postdoctorale fellows in de QuSys Group aan Trinity, Mark Mitchison en Giacomo Guarnieri, het team bestudeerde zeer zorgvuldig een experimenteel realistisch wisproces dat kwantumsuperpositie mogelijk maakt (de qubit kan tegelijkertijd in toestand nul en één zijn).

Professor Goold legt uit:"In werkelijkheid, computers functioneren ver weg van Landauer's behoefte aan warmteafvoer, omdat het geen perfecte systemen zijn. Echter, het is nog steeds belangrijk om na te denken over de grens, want naarmate de miniaturisering van computercomponenten doorgaat, die grens wordt steeds dichterbij, en het wordt steeds relevanter voor kwantumcomputers. Wat verbazingwekkend is, is dat je tegenwoordig met technologie echt wissen kunt bestuderen die die limiet nadert.

"We vroegen, 'Wat voor verschil maakt deze duidelijke kwantumfunctie voor het wisprotocol?' En het antwoord was iets wat we niet hadden verwacht. We ontdekten dat zelfs in een ideaal wisprotocol - als gevolg van kwantumsuperpositie - je zeer zeldzame gebeurtenissen krijgt die warmte verdrijven die veel groter is dan de Landauer-limiet.

"In de krant, we bewijzen wiskundig dat deze gebeurtenissen bestaan ​​en een uniek kwantumkenmerk zijn. Dit is een hoogst ongebruikelijke bevinding die erg belangrijk kan zijn voor het warmtebeheer van toekomstige kwantumchips - hoewel er nog veel meer werk aan de winkel is, in het bijzonder bij het analyseren van snellere operaties en de thermodynamica van andere poortimplementaties.

"Ook anno 2020 De demon van Maxwell blijft fundamentele vragen stellen over de natuurwetten."