Фізикам вдалося виміряти мінімальну кількість тепла, що розсіюється системою при стиранні одного біта інформації

Досвід має пряме відношення до підтвердження другого початку термодинаміки, пошуку меж ефективності комп’ютерів і способів обходу цих меж. Видатний експеримент провели дослідники з трьох університетів Франції та Німеччини. Вони побудували комірку пам’яті на основі мікроскопічної колоїдної частинки і вперше зміряли енергію, безповоротно рассеиваемую в навколишнє середовище при знищенні інформації в ній. Це кількість тепла виявилося близьким до значення, передбаченого 51 рік тому.

Розсіюється схемою тепло визначає мінімум потужності, необхідної даній машині для роботи. Цей межа (по теорії він становить приблизно 10-21 Дж на кожен стирається біт) визначається принципом Ландауера, що є своєрідним відображенням другого закону термодинаміки і закону неубывания ентропії.

Згідно з ними необоротне стирання інформації є дисипативних процесом.

У самому справі, якщо на початку досвіду ми маємо клітинку, яка з однаковою ймовірністю може містити 0 або 1, що у нас є якась ненульова ентропія (міра безладу).

Якщо далі ми зітремо інформацію, перевівши значення біта в 1, незалежно від його вихідного стану, ентропія комірки пам’яті стане рівною нулю (адже у нас з’являється повна визначеність). При цьому інформація руйнується, оскільки у нас немає можливості дізнатися попереднє значення комірки (перезапис біта куди-небудь – не вважається).

За законами термодинаміки ця втрачена ентропія повинна бути передана зовнішньому середовищі у вигляді тепла. Однак виміряти його на досвіді було дуже складно, так як мова йде про дуже малою величиною.

Цей подвиг і вдалося зробити французьким і німецьким експериментаторам. Як оповідає Physics World, вони взяли кварцову бусинку діаметром два мікрометри та помістили її в воду.

На бусинку був спрямований лазерний промінь оптичного пінцета. При цьому світло був відрегульований так, що були створені дві потенційні ями, в які міг звалитися цей кулька. Умовно вони були названі «ліва» і «права». Їм присвоїли логічні значення 0 і 1.


Рис. 1. Намистина в подвійною оптичною
пастці. По вертикалі показаний енергетичний
потенціал ям, по горизонталі – зміщення
кульки. Видно, як вчені можуть впливати на
поведінка намистинки, змінюючи висоту центрального
бар’єру і глибину двох потенційних ям
праворуч і ліворуч від нього (ілюстрація Antoine
Bérut et al./ Nature).

Керуючи глибиною кожної з ям окремо, а також висотою бар’єру між ними, вчені могли впливати на ймовірність знаходження намистинки в правому або лівому положенні, а значить — записувати в клітинку інформацію і прати її.

Так, якщо бар’єр був невеликий, хаотичний тепловий рух могло перекидати намистину з одного положення в інше з рівною ймовірністю, далі якщо яма «1» робилася глибше, ніж яма «0», то намистина з більшою ймовірністю потрапляла в праве положення. Тепер можна було тут же збільшити висоту енергетичного бар’єру і зафіксувати це новий стан комірки пам’яті.

За всіма переміщеннями кульки стежила високошвидкісна камера, показання якої і допомогли обчислити теплову енергію, передану від рухомого кульки воді (за рахунок сил тертя) в момент перескока з одного потенційної ями в іншу.

Експериментатори провели цей досвід сотні разів з різними значеннями часу переходу кульки з однієї позиції в іншу. Отримані дані виявилися добре узгодженими з принципом Ландауера. (Подробиці досвіду викладені в Nature.)

Це досягнення допоможе прояснити відразу кілька речей.

  • По-перше, таким шляхом фізики намагаються зрозуміти, що буде відбуватися по мірі зниження розмірів частин мікросхем і наближення їх до масштабу, на якому витрачається потужність буде порівнянна по порядку з тепловими флуктуаціями.
  • По-друге, досвід допоможе поглянути свіжим поглядом на спроби обійти ліміт Ландауера. А тут намічається кілька шляхів.

Наприклад, вчені розмірковують про можливість організувати оборотні обчислення (Reversible computing), у яких ентропія системи не зростає.

Крім того, не так давно теоретики показали, що

у квантових комп’ютерах стирання бітів може призводити до негативних значень ентропії клітинки і охолодження системи, замість розсіювання тепла. Цей трюк є в деякому роді обходом принципу Ландауера.

Нарешті, як атаку на другий початок можна сприймати реалізований японцями півтора роки тому двигун Сциларда (він же – варіація демона Максвелла), який перетворює інформацію в енергію. Правда, закони термодинаміки і тут встояли, незважаючи на працездатність системи.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *