Natatanging Epekto ng Dama sa Pagtanggal ng Nahanap na Impormasyon

Ang ilang impormasyon ay maaaring naka-encode sa posisyon ng isang maliit na butil (kaliwa o kanan). Ang isang demonyo ay maaaring burahin ang isang klasikong piraso (asul) sa pamamagitan ng pag-alis ng isang gilid nito hanggang ang maliit na butil ay mahigpit sa kanan. Ang isang maliit na butil (pula) ay maaaring lagusan sa ilalim ng hadlang, na bumubuo ng mas maraming init. Credit sa Larawan: Propesor Goold, Trinity College Dublin

Ang mga mananaliksik mula sa Trinity ay natuklasan ang isang natatanging epekto sa kabuuan sa pagbubura ng impormasyon, at maaari itong magkaroon ng makabuluhang implikasyon para sa disenyo. computing ng kabuuan chips Ang kanyang mga kamangha-manghang mga natuklasan ay nagbabalik ng kabaligtaran na “Maxwell demonyo” na pinahihirapan ang mga physicist sa loob ng 150 taon.

Ang thermodynamics ng computation ay umuna noong 1961 nang matuklasan ni Rolf Landauer, pagkatapos ay sa IBM, ang isang ugnayan sa pagitan ng pagdumi ng init at lohikal na hindi maibabalik na mga proseso. Ang Landauer ay kilala sa kanyang mantra na “Ang kaalaman ay Physical”, na nagpapaalala sa atin na ang impormasyon ay hindi abstract at naka-encode sa pisikal na hardware.

Ang “bit” ay ang pera ng impormasyon (maaaring 0 o 1), at natuklasan ng Landauer na isang kaunting halaga ng init ang pinakawalan kapag ang isang bit ay nabura. Ito ay kilala bilang limitasyon ng Landauer at ito ang eksaktong link sa pagitan ng teorya ng impormasyon at thermodynamics.

Ang pangkat ng QuSys ni Professor John Goold sa Trinity ay pinag-aaralan ang isyung ito na isinasaalang-alang ang computing ng kabuuan, kung saan ang isang kabuuan ng bit (isang qubit na maaaring 0 at 1 nang sabay) ay tinanggal.

Sa bagong nai-publish na pag-aaral sa journal, Mga Sulat sa Physical ReviewNatuklasan ng pangkat na ang kabuuan ng likas na impormasyon na mabubura ay maaaring humantong sa malalaking paglihis sa pagwawaldas ng init na hindi matatagpuan sa maginoo na pagbura.

Thermodynamics at demonyo ni Maxwell

Isang daang taon bago ang pagtuklas ni Landauer, ang mga taong tulad ng siyentipikong Viennese na si Ludwig Boltzmann at ang pisisista ng Scottish na si James Clerk Maxwell ay bumubuo ng teorya ng mga gas na kinetiko, na nagsasagawa ng isang sinaunang ideya ng mga sinaunang Greeks sa pamamagitan ng pag-iisip na ang bagay ay binubuo ng mga atomo at nagmula ng macroscopically. thermodynamics mula sa microscopic dynamics.

Sinabi ni Propesor Goold:

“Sinasabi sa atin ng mga mekanikal na istatistika na ang mga bagay tulad ng presyon at temperatura, at maging ang mga batas ng thermodynamics, ay mauunawaan ng average na pag-uugali ng mga sangkap ng atomic ng bagay. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay tungkol sa isang bagay na tinawag na entropy, na kung saan, sa madaling sabi, isang sukat ng karamdaman sa isang proseso. Ang pangalawang batas ay tungkol sa atin, kapag walang interbensyon sa labas. Sinabi niya na ang lahat ng mga proseso sa uniberso ay may kaugaliang, sa average, upang madagdagan ang kanilang entropy at maabot ang isang estado na kilala bilang thermal equilibrium.

“Sinasabi niya sa atin na kapag ang dalawang gas ay halo-halong sa iba’t ibang mga temperatura, ang average na temperatura ng dalawa ay aabot sa isang bagong estado ng balanse. Ito ang pinakahuling batas sa diwa na ang bawat pabago-bagong sistema ay napapailalim dito. Walang pagtakas: ang lahat ay babalanse, maging ikaw! “

Gayunpaman, ang mga nagtatag ng mga statiko mekanika ay sumusubok na mag-drill ng mga butas sa ikalawang batas mula pa sa simula ng teorya ng kinetiko. Pag-isipang muli ang isang halimbawa ng isang gas sa balanse: Inisip ni Maxwell ang isang mapagpapalagay na “makinis na daliri” na nilalang na may kakayahang pagsubaybay at pag-uuri ng mga maliit na butil sa isang gas batay sa kanilang bilis.

Tulad ng pagkakilala sa entidad, ang demonyo ni Maxwell ay maaaring mabilis na magbukas at magsara ng isang pintuan ng bitag sa isang kahon na puno ng gas, na pinapayagan ang mga maiinit na mga maliit na butil na dumaan sa isang gilid ng kahon habang nakakulong ang mga malamig sa isa pa. Ang senaryong ito ay tila salungat sa ikalawang batas ng thermodynamics, dahil bumababa ang pangkalahatang entropy at marahil ay pinanganak ang pinakatanyag na kabalintunaan ng pisika.

Paano ang tungkol sa pagtuklas ni Landauer tungkol sa gastos ng pagwawaldas ng init ng pagbubura ng impormasyon? Ang isa pang 20 taon na ang lumipas bago ito lubos na maunawaan, ang kabalintunaan ay nalutas, at ang demonyo ni Maxwell ay tuluyang pinaputok.

Ang gawain ng Landauer ay nagbigay inspirasyon kay Charlie Bennett upang tuklasin ang ideya ng nababaligtad na computing, muli sa IBM. Noong 1982, sinabi ni Bennett na ang demonyo ay dapat magkaroon ng memorya, at ang kilos na bumalik sa pangalawang batas sa kabalintunaan ay hindi pagsukat ng impormasyon sa memorya ng demonyo, ngunit ang pagbura nito. At bilang isang resulta, ipinanganak ang computational thermodynamics.

Mga bagong natuklasan

Ngayon, 40 taon na ang lumipas, ang bagong gawa na pinangunahan ng grupo ni Propesor Goold ay tumatayo sa puntong ito, na nakatuon sa dami ng computational thermodynamics.

Sa isang kamakailang artikulo na nai-publish kasama ang kanyang kasamahan na si Harry Miller ng University of Manchester at dalawang postdoctoral na mananaliksik mula sa QuSys Group sa Trinity, Mark Mitchison at Giacomo Guarnieri, napag-aralan ng mabuti ng koponan ang isang pang-eksperimentong makatotohanang proseso ng pagbura na nagpapahintulot sa dami ng superposisyon (qubit Maaari itong magkaroon ng isang estado ng 0 at 1 nang sabay-sabay).

Ipinaliwanag ni Propesor Goold:

Sa katotohanan, ang mga computer ay nagpapatakbo ng malayo sa limitasyon ng pagwawaldas ng Landauer dahil hindi sila perpektong mga system. Gayunpaman, mahalaga pa rin na isipin ang tungkol sa hangganan, dahil habang nagpapatuloy ang miniaturization ng mga bahagi ng computational, ang hangganan na ito ay papalapit at mas naaangkop para sa mga makina ng computing computational. Ang nakakagulat na bagay ay maaari mo talagang suriin ang proseso ng pagtanggal sa kasalukuyan na papalapit sa limitasyong ito sa teknolohiya.

“Ano ang pagkakaiba ng partikular na pag-aari ng kabuuan na ito para sa pagtanggal ng protocol?” Tinanong namin. Ito ay isang bagay na hindi namin inaasahan na isang sagot sa. Nakita namin na kahit sa isang perpektong protocol ng pagtanggal – dahil sa superposition ng kabuuan – nakatagpo ka ng napakabihirang mga kaganapan na nagwawaldas ng init higit pa sa hangganan ng Landauer.

Sa artikulo, pinatunayan namin sa matematika na ang mga phenomena na ito ay mayroon at may isang natatanging pagmamay-ari ng kabuuan. Ito ay isang hindi pangkaraniwang paghahanap na maaaring talagang mahalaga para sa pamamahala ng init sa hinaharap na mga chip ng kabuuan – lalo na kahit na may higit pang gawain na dapat gawin sa pag-aaral ng mas mabilis na mga proseso at mga thermodynamics ng iba pang mga application ng gate.

“Kahit na sa 2020, ang demonyo ni Maxwell ay patuloy na nagtatanong ng mga pangunahing tanong tungkol sa mga batas ng kalikasan.”

Sanggunian: “Mga Pagbabagu-bago ng Quantum Pigilan ang Pagtanggal ng Impormasyon sa Wastong Oras Malapit sa Landauer Boundary”, Harry JD Miller, Giacomo Guarnieri, Mark T. Mitchison at John Goold, Oktubre 15, 2020, Magagamit dito Mga Sulat sa Physical Review.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.160602

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang Gut Microbes ay maaaring maging isang Susi sa Pagbubukas ng Pagkabalisa

Isang micrograph ng pag-scan ng electron ng Escherichia coli, na isa sa maraming uri ng bakterya na matatagpuan sa mga bituka ng mammalian. ...

Isiniwalat ang 260-Milyong Taon na Killing Machine

Isang live na muling pagtatayo ng Anteosaurus na umaatake sa isang halaman ng Moschognathus. Kredito: Alex Bernardini (@SimplexPaleo) Dating itinuturing na mabigat, mabagal at...

Doblein ang bilang ng mga kilalang lente ng gravity gamit ang artipisyal na intelihensiya

Mga halimbawa ng mga gravity lens sa data ng Pag-aaral ng Pamana ng DESI. Kredito: DESI Heritage Imaging Surveys / LBNL / DOE...

Pagkuha ng mga materyales sa 2D para sa pagikot

Paglalarawan ng artistikong konsepto ng Spintronic. Ang mga siyentista mula sa Unibersidad ng Tsukuba at ang Institute of High Pressure Physics ay gumagawa ng isang...

Natuklasan ng mga Mananaliksik ang Kamakailang Genetic Communication sa Pagitan ng Mga Chimpanzee Subspecies

Ang mga sample ng dumi ng Chimpanzee ay nakolekta sa buong Africa upang matukoy kung ang mga tao ay kamakailan-lamang na konektado sa kabila...

Newsletter

Subscribe to stay updated.