Nowe odkrycie wzmacnia drugą zasadę termodynamiki

Druga zasada termodynamiki wzmocniona. Komputery kwantowe coraz bliżej?

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, całkowita entropia układu zamkniętego może wzrosnąć lub pozostać taka sama, ale nigdy się nie zmniejszy. Gwarantuje ona, że rozbita szklanka samoistnie się nie poskłada, a powietrze będzie uciekać z balonu, a nie pompować go. Naukowcy już od dłuższego czasu badają rolę entropii w teorii informacji, a teraz znaleźli sposób jak ją wzmocnić.

Naukowcy z Santa Fe Institute pod kierownictwem Davida Wolperta i Artema Kolchinsky’ego chcieli lepiej zrozumieć związek między termodynamiką a przetwarzaniem informacji w obliczeniach. Wyniki badań opublikowane w Physical Review E mogą okazać się kluczowe dla rozwoju termodynamiki kwantowej.

Systemy obliczeniowe są zaprojektowane specjalnie po to, by w miarę rozwoju tracić informacje o swojej przeszłości.

David Wolpert

Termodynamika a teoria informacji

Wprowadzając do kalkulatora „2+2” i wciskając „=”, błyskawicznie dostaniemy odpowiedź „4”. Podczas obliczeń maszyna traci informacje, gdyż wynik „4” może dać zarówno „2+2”, jak i „3+1”. Oznacza to, że na podstawie ujawnionego wyniku, nie da się jednoznacznie stwierdzić, jakie były wartości liczb wejściowych. W 1961 roku Rolf Landauer, fizyk z IBM, odkrył, że kiedy informacja jest wymazywana (jak podczas takich obliczeń), entropia kalkulatora maleje (poprzez utratę informacji). To z kolei oznacza, że entropia otoczenia rośnie.

Jeśli wymazujesz odrobinę informacji, musisz wytworzyć trochę ciepła.

Artem Kolchinsky

Wolpert i Kolchinsky zadali sobie pytanie: jaki jest koszt energetyczny wymazania informacji dla danego systemu? Landauer co prawda opracował równanie na minimalną ilość energii, która jest wytwarzania podczas kasowania informacji, ale naukowcy z Santa Fe odkryli, że większość systemów w rzeczywistości wytwarza jej więcej. To „koszt poza granicą Landauera”.

Czytaj też: Oto przyszłość – komputery kwantowe łączą siły z superkomputerami

Aby osiągnąć minimalną stratę energii Landauera, trzeba zaprojektować komputer z myślą o określonym zadaniu. Jeżeli maszyna przeprowadzi jakieś inne (niezgodne z założeniem) obliczenie, wygeneruje dodatkową entropię. Fizycy z Santa Fe wykazali, że dwa komputery mogą wykonywać te same obliczenia, ale różnić się pod kątem produkcji entropii. Jest to tzw. koszt niedopasowania. Jak mówi Artem Kolchinsky, jest to „koszt pomiędzy tym, do czego maszyna została zbudowana, a tym, do czego jej używamy”.

Naukowcy udowodnili, że koszt niedopasowania jest ogólnym zjawiskiem, które można badać w różnych systemach (nie tylko teorii informacji). Odkryto związek między nieodwracalnością termodynamiczną a nieodwracalnością logiczną. W pewnym sensie wzmacnia to drugą zasadę termodynamiki. Założenia te można rozszerzyć m.in. na termodynamikę komputerów kwantowych.