Peneliti menemukan efek kuantum unik dalam penghapusan informasi – ScienceDaily

Termodinamika komputasi muncul pada tahun 1961 ketika Rolf Landauer, saat itu di IBM, menemukan hubungan antara pembuangan panas dan operasi yang secara logis tidak dapat diubah. Landauer dikenal dengan mantra “Informasi adalah Fisik” yang mengingatkan kita bahwa informasi tidak abstrak dan dikodekan pada perangkat keras fisik.

‘Bit’ adalah mata uang informasi (bisa 0 atau 1) dan Landauer menemukan bahwa ketika dihilangkan sedikit, sejumlah kecil panas dilepaskan. Ini dikenal sebagai batas Landauer dan merupakan penghubung terakhir antara teori informasi dan termodinamika.

Kelompok QuSys Profesor John Goold di Trinity menganalisis topik ini dengan mempertimbangkan komputer kuantum dan menghapus bit kuantum (kwbit yang bisa menjadi 0 dan 1 pada saat yang sama).

Dalam artikel yang baru-baru ini diterbitkan di majalah tersebut, Surat ujian fisikKelompok tersebut telah menemukan bahwa kuantum informasi yang terhapus dapat menyebabkan penyimpangan besar dalam distribusi panas yang tidak dapat dilakukan pemberantasan tradisional.

Termodinamika dan setan Maxwell

Seratus tahun sebelum penemuan Landauer, orang-orang seperti ilmuwan Wina Ludwig Boltzmann dan fisikawan Skotlandia James Clerk Maxwell merumuskan teori kinetik gas, menghidupkan kembali gagasan Yunani kuno dengan merefleksikan materi atom dan termodinamika makroskopis yang diturunkan dari dinamika mikroskopis. .

Profesor Goold berkata:

Mekanika statistik memberi tahu kita bahwa hal-hal seperti tekanan dan suhu dan bahkan hukum termodinamika dapat dipahami dengan perilaku rata-rata penyusun atom materi. Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan sesuatu yang disebut entropi, yang singkatnya, adalah ukuran gangguan dalam suatu proses. Hukum kedua menyatakan bahwa tanpa intervensi eksternal, semua proses di alam semesta cenderung meningkatkan entropinya dan mencapai keadaan yang dikenal sebagai kesetimbangan termal.

‘Ini memberi tahu kita bahwa dua gas pada suhu yang berbeda mencapai keadaan kesetimbangan baru pada suhu rata-rata keduanya. Ini adalah hukum tertinggi dalam arti bahwa setiap sistem dinamis tunduk padanya. Tidak ada jalan keluar: semua hal akan mencapai keseimbangan, bahkan Anda! ”

Namun, dari awal teori kinetik, para pendiri mekanika statistik mencoba melubangi hukum kedua. Perhatikan kembali contoh gas dalam kesetimbangan: Maxwell membayangkan makhluk hipotetis dengan ‘jari bersih’ yang dapat mendeteksi dan mengurutkan partikel dalam gas berdasarkan kecepatannya.

Saat makhluk itu diketahui, iblis Maxwell mampu dengan cepat membuka dan menutup pintu jebakan di dalam kotak dengan gas, memungkinkan partikel panas untuk berpindah ke satu sisi kotak, tetapi membatasi dingin ke sisi lainnya. Skenario ini tampaknya bertentangan dengan Hukum Kedua Termodinamika, karena total entropi tampaknya menurun dan mungkin lahir paradoks paling terkenal dalam fisika.

Tetapi bagaimana dengan penemuan Landauer tentang biaya kehilangan panas untuk menghilangkan informasi? Butuh waktu 20 tahun lagi sebelum itu benar-benar disadari, paradoks diselesaikan dan iblis Maxwell akhirnya diusir.

Karya Landauer menginspirasi Charlie Bennett – juga di IBM – untuk mengeksplorasi ide komputer yang dapat dibalik. Pada tahun 1982, Bennett berpendapat bahwa setan harus memiliki ingatan dan tidak mengukurnya, tetapi informasi yang disimpan dalam ingatan iblis adalah tindakan yang memulihkan hukum kedua dalam paradoks. Akibatnya, lahirlah termodinamika komputasi.

Wawasan baru

Sekarang, 40 tahun kemudian, karya baru kelompok Profesor Goold muncul, dengan fokus pada termodinamika komputasi kuantum.

Dalam artikel yang baru-baru ini diterbitkan, diterbitkan bersama dengan Harry Miller dari University of Manchester dan dua postdocs dari QuSys Group of Trinity, Mark Mitchison dan Giacomo Guarnieri, tim tersebut memulai proses pemberantasan yang realistis secara eksperimental dengan cakupan kuantum (qubit ) diperiksa secara menyeluruh. ) yang diaktifkan dapat berupa 0 dan 1 pada saat bersamaan).

Profesor Goold menjelaskan:

Faktanya, komputer bekerja jauh melampaui batas pembuangan panas Landauer karena mereka bukanlah sistem yang sempurna. Namun, tetap penting untuk memikirkan batasannya, karena seiring dengan terus berlangsungnya miniaturisasi komponen komputer, batasan tersebut menjadi semakin sempit. Untuk komputer kuantum, ini menjadi semakin relevan. Yang menakjubkan adalah bahwa dengan teknologi saat ini Anda benar-benar dapat mempelajari kepunahan saat mendekati batasnya.

“Kami bertanya, ‘Apa perbedaan yang dibuat oleh fungsi kuantum yang jelas ini untuk protokol penghapusan? “Dan jawabannya adalah sesuatu yang tidak kami duga. Kami telah menemukan bahwa bahkan dalam protokol penghapusan yang ideal – karena cakupan kuantum – insiden yang sangat jarang terjadi di mana panas dipancarkan jauh melampaui batas Landauer.

“Dalam pekerjaan kami membuktikan secara matematis bahwa peristiwa ini ada dan merupakan karakteristik kuantum yang unik. Ini adalah temuan yang sangat tidak biasa yang bisa menjadi sangat penting untuk manajemen termal disk kuantum masa depan – meskipun masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan, terutama untuk menganalisis operasi yang lebih cepat dan termodinamika dari implementasi gerbang lainnya.

“Pada tahun 2020, setan Maxwell akan terus mengajukan pertanyaan mendasar tentang hukum alam.”