Fysikere undersøger sletning af information uden energiomkostninger

(Phys.org) – For et par år siden, fysikere viste, at det er muligt at slette information uden at bruge energi, i modsætning til dengang antagelsen om, at sletning af information skal kræve energi. I stedet, videnskabsmændene viste, at omkostningerne ved sletning kunne betales i form af en vilkårlig fysisk størrelse såsom spin vinkelmomentum - hvilket tyder på, at varmeenergi ikke er den eneste bevarede størrelse i termodynamikken.

Undersøgelse af denne idé nærmere, fysikere Toshio Croucher, Salil Bedkihal, og Joan A. Vaccaro ved Center for Quantum Dynamics, Griffith University, Brisbane, Queensland, Australien, har nu opdaget nogle interessante resultater om de små udsving i spin-omkostningerne ved at slette information. Arbejdet kan føre til udvikling af nye typer varmemotorer og informationsbehandlingsenheder.

Som forskerne forklarer i et nyt papir offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , muligheden for, at information kan slettes uden energiomkostninger, er overraskende i starten på grund af det faktum, at energi og entropi er så tæt beslægtede i termodynamikken. I forbindelse med information, informationssletning svarer til entropisletning (eller et fald i entropi) og kræver derfor en minimal mængde energi, som er bestemt af Landauers sletteprincip.

Da Landauers sletteprincip svarer til termodynamikkens anden lov, nul-energi-sletningsskemaet ved hjælp af vilkårlige bevarede mængder kan opfattes som en generaliseret anden lov for termodynamikken. Denne idé går tilbage til mindst 1957, da E. T. Jaynes foreslog et alternativ til den anden lov, hvor varmeenergi tænkes på en mere generel måde end normalt, således at varme inkorporerer andre former for konserverede mængder.

Ved at anvende denne ramme til sletning af information, i 2011 viste Vaccaro og Stephen Barnett, at energiomkostningerne ved informationssletning kan erstattes med en eller flere forskellige bevarede mængder – specifikt, spin vinkelmomentum.

En vigtig forskel mellem varmeenergi og spin vinkelmomentum er, at mens varme kan eller ikke kan kvantiseres, spin vinkelmomentum er en iboende kvantemekanisk egenskab, og så er det altid kvantificeret. Dette har implikationer, når det kommer til at tage højde for små udsving i disse mængder, der bliver væsentlige, når man designer systemer på nanoskala.

Forskere har først for nylig undersøgt disse fluktuationer i sammenhæng med Landauer-princippet, hvor de fandt ud af, at disse udsving hurtigt undertrykkes af noget, der kaldes Jarzynski-ligheden. Det betyder, at varmeenergiudsving kun har en meget lille sandsynlighed for at overtræde Landauer-princippet.

I den nye undersøgelse, forskerne har for første gang undersøgt de tilsvarende diskrete fluktuationer, der opstår, når man sletter information ved hjælp af spin.

Blandt deres resultater, forskerne fandt, at de diskrete fluktuationer undertrykkes endnu hurtigere end forudsagt af de tilsvarende Jarzynski lighed for "spinlabor" - et nyt udtryk, som forskerne udtænkte, der betyder spin-ækvivalenten til arbejde. Dette er det første bevis på at slå denne bund i en informationssletningskontekst. Den hurtige undertrykkelse betyder, at udsvingene har en ekstrem lav sandsynlighed for at bruge mindre end de minimale omkostninger, der kræves for at slette information ved hjælp af spin, som givet af Vaccaro-Barnett bundet, som er spin-ækvivalenten til Landauer-princippet.

"Vores arbejde generaliserer fluktuationsforhold for sletning ved hjælp af vilkårlige bevarede mængder og afslører diskrets rolle i forbindelse med sletning, " fortalte Bedkihal Phys.org . "Vi opnåede også en sandsynlighed for overtrædelsesgrænse, der er strammere end den tilsvarende Jarzynski-grænse. Dette er et statistisk signifikant resultat."

Forskerne påpeger også, at denne proces med at slette information med spin allerede er blevet eksperimentelt demonstreret, selvom det ser ud til at være gået ubemærket hen. I spin-exchange optisk pumpning, lys bruges til at excitere elektroner i et atom til et højere energiniveau. For at elektronerne vender tilbage til deres lavere energiniveau under afslapningsprocessen, atomer og kerner kolliderer med hinanden og udveksler spins. Denne entropi-reducerende proces kan betragtes som analog med sletning af information til en pris af spin-udveksling.

Samlet set, de nye resultater afslører indsigt i spinns termodynamik og kan også guide udviklingen af ​​fremtidige applikationer. Disse kunne omfatte nye slags varmemotorer og informationsbehandlingsenheder baseret på sletning, der bruger billige, lokalt tilgængelige ressourcer såsom spin vinkelmomentum. Forskerne planlægger at forfølge disse muligheder yderligere i fremtiden.

"Sletningsmekanismen kan bruges til at designe generaliserede varmemotorer, der arbejder under reservoirerne af flere bevarede mængder, såsom et termisk reservoir og et spin-reservoir, " sagde Bedkihal. "F.eks. man kan designe varmemotorer ved hjælp af halvlederkvantepunktsystemer, hvor gittervibrationer udgør et termisk reservoir, og nukleare spins udgør et polariseret spin-reservoir. Sådanne varmemotorer går ud over den traditionelle Carnot-varmemotor, der fungerer under to termiske reservoirer."

© 2017 Phys.org