Trinity College Dublin’den araştırmacılar, kuantum hesaplama yongalarının tasarımı üzerinde önemli etkileri olabilecek bilgileri silmede benzersiz bir kuantum etkisi keşfettiler. Şaşırtıcı keşifleri, 150 yılı aşkın süredir fizikçilere eziyet eden paradoksal “Maxwell’in şeytanı” nı hayata döndürüyor.
Hesaplamanın termodinamiği, 1961’de o zamanlar IBM’de olan Rolf Landauer, ısının yayılması ile mantıksal olarak geri çevrilemez işlemler arasında bir ilişki keşfettiğinde ön plana çıktı. Landauer, bize bilginin soyut olmadığını ve fiziksel donanımda kodlandığını hatırlatan “Bilgi Fizikseldir” mantrasıyla tanınır.
“Bit” bilginin para birimidir (0 veya 1 olabilir) ve Landauer, bir bit silindiğinde minimum miktarda ısı açığa çıktığını keşfetti. Bu, Landauer’in sınırı olarak bilinir ve bilgi teorisi ile termodinamik arasındaki kesin bağlantıdır.
Profesör John Goold’un Trinity’deki QuSys grubu, bu konuyu bir kuantum bitinin (aynı anda 0 ve 1 olabilen bir kübit) silindiği kuantum hesaplamayı göz önünde bulundurarak analiz ediyor.
Physical Review Letters adlı dergide yeni yayınlanan çalışmada grup, silinecek bilginin kuantum doğasının, geleneksel bit silme işleminde bulunmayan ısı dağılımında büyük sapmalara yol açabileceğini keşfetti.
Termodinamik ve Maxwell’in şeytanı
Landauer’in keşfinden yüz yıl önce, Viyanalı bilim adamı Ludwig Boltzmann ve İskoç fizikçi James Clerk Maxwell gibi insanlar, gazların kinetik teorisini formüle ediyor, maddenin atomlardan oluştuğunu düşünerek ve makroskopik olarak türeterek antik Yunanların eski bir fikrini yeniden canlandırıyorlardı. mikroskobik dinamiklerden termodinamik.
Profesör Goold şöyle diyor:
“İstatistiksel mekanik bize basınç ve sıcaklık gibi şeylerin ve hatta termodinamiğin yasalarının bile maddenin atomik bileşenlerinin ortalama davranışıyla anlaşılabileceğini söylüyor. Termodinamiğin ikinci yasası, kısaca entropi adı verilen bir şeyle ilgilidir. Bir süreçteki bozukluğun bir ölçüsü İkinci yasa bize, dış müdahalenin yokluğunda, evrendeki tüm süreçlerin ortalama olarak entropilerini artırma ve termal denge olarak bilinen bir duruma ulaşma eğiliminde olduklarını söyler.
“Bize, karıştırıldığında, farklı sıcaklıklardaki iki gazın ikisinin ortalama sıcaklığında yeni bir denge durumuna ulaşacağını söylüyor. Her dinamik sistemin ona tabi olması anlamında nihai yasadır. Kaçış yoktur. : her şey dengeye ulaşacak, siz bile! “
Bununla birlikte, istatistiksel mekaniğin kurucuları, kinetik teorinin başından itibaren ikinci yasada delikler açmaya çalışıyorlardı. Denge halindeki bir gaz örneğini tekrar düşünün: Maxwell, bir gazdaki parçacıkları hızlarına göre izleme ve sınıflandırma yeteneğine sahip varsayımsal “düzgün parmaklı” bir varlık hayal etti.
Varlık bilindiği üzere Maxwell’in iblisi, içinde gaz bulunan bir kutuda bir tuzak kapıyı hızla açıp kapatabilir ve sıcak partiküllerin kutunun bir tarafına geçmesine izin verirken soğuk olanları diğeriyle sınırlayabilir. Genel entropi azaldığı ve belki de fiziğin en ünlü paradoksu doğduğu için bu senaryo termodinamiğin ikinci yasasıyla çelişiyor gibi görünüyor.
Peki ya Landauer’in bilgileri silmenin ısı yayılımı maliyeti hakkındaki keşfi? Bunun tam olarak anlaşılması, paradoksun çözülmesi ve Maxwell’in iblisinin nihayet kovulması için bir 20 yıl daha geçti.
Landauer’in çalışması, yine IBM’de Charlie Bennett’e tersine çevrilebilir bilgi işlem fikrini araştırması için ilham verdi. 1982’de Bennett, iblisin bir hafızasına sahip olması gerektiğini ve paradokstaki ikinci yasayı geri getiren eylemin iblisin hafızasındaki bilginin ölçüsü değil, silinmesi olduğunu savundu. Ve sonuç olarak, hesaplama termodinamiği doğdu.
Yeni bulgular
Şimdi, 40 yıl sonra, Profesör Goold’un grubunun önderlik ettiği yeni çalışma, kuantum hesaplama termodinamiğine odaklanan bu noktada öne çıkıyor.
Manchester Üniversitesi’nden iş arkadaşı Harry Miller ve Trinity’deki QuSys Group’tan iki doktora sonrası araştırmacı, Mark Mitchison ve Giacomo Guarnieri ile yayınlanan son makalede, ekip, kuantum süperpozisyonuna (kübit aynı anda 0 ve 1 durumunda olabilir).
Profesör Goold açıklıyor:
“Gerçekte, bilgisayarlar mükemmel sistemler olmadıkları için Landauer’in ısı dağıtımı sınırından çok uzakta çalışırlar. Ancak, bağlı olanı düşünmek yine de önemlidir çünkü hesaplama bileşenlerinin minyatürleştirilmesi devam ettikçe, bu sınır daha da yakınlaşır ve bu kuantum hesaplama makinelerine daha uygun hale geliyor. Şaşırtıcı olan, günümüzde teknoloji ile bu sınıra yaklaşan silme işlemini gerçekten inceleyebilmeniz.
“Bu belirgin kuantum özelliği silme protokolü için ne gibi bir fark yaratıyor?” Diye sorduk. Cevap beklemediğimiz bir şeydi.İdeal bir silme protokolünde bile – kuantum süperpozisyonundan dolayı – Landauer sınırından çok daha fazla ısıyı yayan çok nadir olaylarla karşılaştığınızı gördük.
“Makalede, bu olayların var olduğunu ve benzersiz bir kuantum özelliği olduğunu matematiksel olarak kanıtlıyoruz. Bu, gelecekteki kuantum yongalarında ısı yönetimi için gerçekten önemli olabilecek oldukça sıra dışı bir bulgudur – özellikle yapılacak çok daha fazla iş olmasına rağmen daha hızlı işlemleri ve diğer kapı uygulamalarının termodinamiğini analiz etmede.
“2020’de bile Maxwell’in şeytanı doğa kanunları hakkında temel sorular sormaya devam ediyor.”