Forscher entdecken einen einzigartigen Quanteneffekt beim Löschen von Informationen – ScienceDaily

| |

Forscher am Trinity College Dublin haben einen einzigartigen Quanteneffekt beim Löschen von Informationen entdeckt, der einen erheblichen Einfluss auf das Design von Quantencomputerchips haben kann. Ihre überraschende Entdeckung erweckt den paradoxen „Maxwell-Dämon“ zum Leben, der die Physiker seit über 150 Jahren plagt.

Die Thermodynamik der Berechnung trat 1961 in den Vordergrund, als Rolf Landauer, damals bei IBM, einen Zusammenhang zwischen Wärmeableitung und logisch irreversiblem Betrieb entdeckte. Landauer ist bekannt für das Mantra „Information is Physical“, das uns daran erinnert, dass Informationen nicht abstrakt sind und auf physischer Hardware codiert sind.

Das „Bit“ ist die Informationswährung (es kann entweder 0 oder 1 sein) und Landauer stellte fest, dass beim Löschen eines Bits nur eine minimale Wärmemenge freigesetzt wird. Dies ist als Landauer-Grenze bekannt und die ultimative Verbindung zwischen Informationstheorie und Thermodynamik.

Die QuSys-Gruppe von Professor John Goold an der Trinity analysiert dieses Thema unter Berücksichtigung des Quantencomputers und löscht ein Quantenbit (ein Qubit, das gleichzeitig 0 und 1 sein kann).

In Papieren, die gerade in der Zeitschrift veröffentlicht wurden, Briefe zur körperlichen UntersuchungDie Gruppe entdeckte, dass die Quantennatur der zu löschenden Informationen zu großen Abweichungen bei der Wärmeableitung führen kann, die beim herkömmlichen Bitlöschen nicht auftreten.

Thermodynamik und Maxwells Dämon

Einhundert Jahre vor Landauers Entdeckung formulierten Menschen wie der Wiener Wissenschaftler Ludwig Boltzmann und der schottische Physiker James Clerk Maxwell die kinetische Theorie der Gase, belebten eine altgriechische Idee, indem sie über Materie aus Atomen und makroskopisch abgeleitete Thermodynamik aus der mikroskopischen Dynamik nachdachten.

Professor Goold sagte:

„Die statistische Mechanik sagt uns, dass Dinge wie Druck und Temperatur und sogar die Gesetze der Thermodynamik selbst durch das durchschnittliche Verhalten der atomaren Bestandteile der Materie verstanden werden können. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik betrifft die sogenannte Entropie, die kurz gesagt ein Maß für die Störung in einem Prozess ist. Das zweite Gesetz besagt, dass alle Prozesse im Universum ohne externe Intervention im Durchschnitt dazu neigen, ihre Entropie zu erhöhen und einen Zustand zu erreichen, der als thermisches Gleichgewicht bekannt ist.

„Es zeigt uns, dass zwei Gase bei unterschiedlichen Temperaturen beim Mischen einen neuen Gleichgewichtszustand bei der Durchschnittstemperatur der beiden erreichen. Es ist das ultimative Gesetz in dem Sinne, dass jedes dynamische System ihm unterliegt. Es gibt kein Entkommen: Alle Dinge werden das Gleichgewicht erreichen, auch Sie! ”

Die Gründerväter der statistischen Mechanik versuchten jedoch von Beginn der kinetischen Theorie an, Löcher in das zweite Gesetz zu schlagen. Betrachten Sie noch einmal das Beispiel eines Gases im Gleichgewicht: Maxwell stellte sich ein hypothetisches Wesen mit „sauberen Fingern“ vor, das Partikel in einem Gas anhand ihrer Geschwindigkeit verfolgen und sortieren kann.

Maxwells Dämon, wie die Kreatur bekannt wurde, konnte schnell eine Falltür in einer Kiste mit einem Gas öffnen und schließen, wobei heiße Partikel auf einer Seite der Kiste vorbeizogen und kalte auf die andere beschränkten. Dieses Szenario scheint dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu widersprechen, da die Gesamtentropie abzunehmen scheint und das vielleicht berühmteste Paradoxon in der Physik geboren wurde.

Aber was ist mit Landauers Entdeckung über die Wärmeableitungskosten beim Löschen von Informationen? Nun, es dauerte weitere 20 Jahre, bis dies vollständig erkannt, das Paradoxon gelöst und Maxwells Dämon schließlich exorziert wurde.

Landauers Arbeit inspirierte Charlie Bennett – ebenfalls bei IBM -, die Idee des reversiblen Rechnens zu untersuchen. 1982 argumentierte Bennett, dass der Dämon ein Gedächtnis haben muss und dass nicht messen, sondern das Löschen der Informationen im Gedächtnis des Dämons der Akt ist, der das zweite Gesetz im Paradoxon wiederherstellt. Als Ergebnis wurde die rechnerische Thermodynamik geboren.

Neue Erkenntnisse

Jetzt, 40 Jahre später, tritt die neue Arbeit der Gruppe von Professor Goold in den Vordergrund, deren Schwerpunkt auf der Thermodynamik der Quantenberechnung liegt.

In dem kürzlich veröffentlichten Artikel, der gemeinsam mit Harry Miller von der University of Manchester und zwei Postdocs der QuSys Group of Trinity, Mark Mitchison und Giacomo Guarnieri, veröffentlicht wurde, untersuchte das Team sorgfältig einen experimentell realistischen Löschprozess, bei dem eine Quantenüberlagerung (das Qubit) verwendet wird ) enabled kann gleichzeitig im Status 0 und 1 sein).

Professor Goold erklärt:

„In Wirklichkeit arbeiten Computer weit von Landauers Grenze für die Wärmeableitung entfernt, weil sie keine perfekten Systeme sind. Es ist jedoch immer noch wichtig, über die Grenze nachzudenken, da diese Grenze mit fortschreitender Miniaturisierung von Computerkomponenten immer enger wird. „Für Quantencomputer wird es immer relevanter. Was erstaunlich ist, ist, dass man heutzutage mit Technologie das Aussterben wirklich studieren kann, wenn es sich dieser Grenze nähert.

“Wir fragten: ‘Welchen Unterschied macht dieses eindeutige Quantenmerkmal für das Löschprotokoll?’ Und die Antwort hatten wir nicht erwartet. Wir haben festgestellt, dass selbst in einem idealen Löschprotokoll – aufgrund der Quantenüberlagerung – sehr seltene Ereignisse auftreten, bei denen Wärme weit über die Landauer-Grenze hinaus abgegeben wird.

„In der Arbeit beweisen wir mathematisch, dass diese Ereignisse existieren und ein einzigartiges Quantenmerkmal sind. Dies ist eine höchst ungewöhnliche Erkenntnis, die für das Wärmemanagement zukünftiger Quantenchips sehr wichtig sein könnte – obwohl insbesondere bei der Analyse schnellerer Operationen und der Thermodynamik anderer Gate-Implementierungen noch viel mehr Arbeit zu leisten ist.

“Im Jahr 2020 wird Maxwells Dämon weiterhin grundlegende Fragen zu den Naturgesetzen aufwerfen.”

Dies waren die Details der Nachrichten Forscher entdecken einen einzigartigen Quanteneffekt beim Löschen von Informationen – ScienceDaily für diesen Tag. Wir hoffen, dass es uns gelungen ist, Ihnen alle Details und Informationen zu geben. Um alle unsere Neuigkeiten zu verfolgen, können Sie das Benachrichtigungssystem oder eines unserer verschiedenen Systeme abonnieren, um alles zu erhalten, was neu ist.

Es ist auch erwähnenswert, dass die Originalnachrichten veröffentlicht wurden und unter verfügbar sind de24.news und die Redaktion bei AlKhaleej Heute hat es bestätigt und es wurde geändert, und es wurde möglicherweise vollständig übertragen oder zitiert, und Sie können diese Nachrichten aus der Hauptquelle lesen und verfolgen.

.

Previous

Gute Nachricht für Coronavirus: Pfizer beantragt im November die Notfallgenehmigung für den Covid-19-Impfstoff

Lars Sullivan siegt in SmackDown Return, zerquetscht Jeff Hardy

Next

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.