Forskergruppen opdager en unik kvanteeffekt ved sletning af information

Forskere fra Trinity har opdaget en unik kvanteeffekt ved sletning af information, der kan have betydelige konsekvenser for designet af quantum computing chips. Deres overraskende opdagelse vækker liv i den paradoksale "Maxwells dæmon, "som har plaget fysikere i over 150 år.

Beregningens termodynamik blev fremhævet i 1961, da Rolf Landauer, derefter hos IBM, opdaget et forhold mellem varmespredning og logisk irreversible operationer. Landauer er kendt for mantraet "Information is Physical, "som minder os om, at oplysninger ikke er abstrakte og er kodet på fysisk hardware.

"Bitten" er informationsvalutaen (den kan enten være nul eller en) og Landauer opdagede, at når en bit er slettet, frigives der en minimal mængde varme. Dette er kendt som Landauers bundne og er den endelige forbindelse mellem informationsteori og termodynamik.

Professor John Goolds QuSys -gruppe på Trinity analyserer dette emne med kvanteberegning i tankerne, hvor en kvantebit (en qubit, som kan være nul og én på samme tid) slettes.

I netop offentliggjort arbejde i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , gruppen opdagede, at kvantetypen af ​​de oplysninger, der skal slettes, kan føre til store afvigelser i varmeafledning, som ikke er til stede i konventionel bit -sletning.

Termodynamik og Maxwells dæmon

Hundrede år før Landauer opdagede mennesker som wienerforsker, Ludwig Boltzmann, og skotsk fysiker, James Clerk Maxwell, formulerede den kinetiske teori om gasser, genoplive en gammel idé om de gamle grækere ved at tænke på, at stof består af atomer og udlede makroskopisk termodynamik fra mikroskopisk dynamik.

Professor Goold siger:"Statistisk mekanik fortæller os, at ting som tryk og temperatur, og endda selve termodynamikens love, kan forstås ved den gennemsnitlige adfærd for stofets atombestanddele. Termodynamikkens anden lov vedrører noget, der kaldes entropi, som, i en nøddeskal, er et mål for lidelsen i en proces. Den anden lov fortæller os, at i mangel af ekstern intervention, alle processer i universet har tendens, gennemsnitlig, at øge deres entropi og nå en tilstand kendt som termisk ligevægt.

"Det fortæller os, at når det blandes, to gasser ved forskellige temperaturer vil nå en ny ligevægtstilstand ved de to gennemsnitstemperaturer. Det er den ultimative lov i den forstand, at ethvert dynamisk system er underlagt det. Der er ingen flugt:alle ting vil nå ligevægt, selv dig."

Imidlertid, de grundlæggende fædre til statistisk mekanik forsøgte at plukke huller i den anden lov lige fra begyndelsen af ​​den kinetiske teori. Overvej igen eksemplet på en gas i ligevægt:Maxwell forestillede sig et hypotetisk "pænt fingret" væsen med evnen til at spore og sortere partikler i en gas baseret på deres hastighed.

Maxwells dæmon, som væsenet blev kendt, hurtigt kunne åbne og lukke en fældedør i en æske med gas, og lad varme partikler igennem til den ene side af kassen, men begræns kolde til den anden. Dette scenarie ser ud til at modsige termodynamikkens anden lov, da den samlede entropi ser ud til at falde, og måske er fysikkens mest berømte paradoks født.

Men hvad med Landauers opdagelse om de varmespredte omkostninger ved sletning af oplysninger? Godt, det tog yderligere 20 år, før det blev fuldt ud værdsat, paradokset løst, og Maxwells dæmon til sidst eksorcieret.

Landauers arbejde inspirerede Charlie Bennett - også hos IBM - til at undersøge ideen om reversibel computing. I en982 hævdede Bennett, at dæmonen skal have en hukommelse, og at det ikke er målingen, men sletningen af ​​informationen i dæmonens hukommelse, som er den handling, der genopretter den anden lov i paradokset. Og, som resultat, beregningstermodynamik blev født.

Nye fund

Nu, 40 år efter, det er her, det nye arbejde ledet af professor Goolds gruppe kommer til syne, med rampelyset på kvanteberegningstermodynamik.

I det seneste papir, udgivet med samarbejdspartner Harry Miller ved University of Manchester og to postdoktorer i QuSys Group at Trinity, Mark Mitchison og Giacomo Guarnieri, holdet studerede meget omhyggeligt en eksperimentelt realistisk sletningsproces, der tillader kvanteoverlejring (qubit kan være i tilstand nul og en på samme tid).

Professor Goold forklarer:"I virkeligheden, computere fungerer langt væk fra Landauers bånd til varmeafledning, fordi de ikke er perfekte systemer. Imidlertid, det er stadig vigtigt at tænke over grænsen, for mens miniaturiseringen af ​​computerkomponenter fortsætter, den grænse bliver stadig tættere, og det bliver mere relevant for kvantecomputermaskiner. Det fantastiske er, at du med teknologi i disse dage virkelig kan studere sletning, der nærmer dig denne grænse.

"Vi spurgte, 'Hvilken forskel gør denne tydelige kvantefunktion for sletningsprotokollen?' Og svaret var noget, vi ikke havde forventet. Vi fandt ud af, at selv i en ideel sletningsprotokol - på grund af kvantesuperposition - får du meget sjældne hændelser, der spreder varme langt større end Landauer -grænsen.

"I avisen, vi beviser matematisk, at disse begivenheder eksisterer og er et unikt kvanteelement. Dette er et yderst usædvanligt fund, der kan være virkelig vigtigt for varmestyring på fremtidige kvantechips - selvom der er meget mere arbejde, der skal udføres, især ved analyse af hurtigere operationer og termodynamikken ved andre gateimplementeringer.

"Selv i 2020, Maxwells dæmon fortsætter med at stille grundlæggende spørgsmål om naturlovene. "