Проанализировав принцип Ландауэра с точки зрения квантовых вычислений, группа физиков из Ирландии обнаружила, что квантовая природа стираемой информации может приводить к значительно большему выделению тепла, чем допускает принцип Ландауэра, лежащий в основе вычислительной термодинамики. Это открытие может иметь большое значение, как минимум, в разработке тепловой защиты чипов для квантовых компьютеров.
Термодинамика вычислений заявила о себе в 1961, когда Рольф Ландауэр из IBM открыл связь между рассеиванием тепла и логически необратимыми операциями. Принцип Ландауэра гласит, что в любой вычислительной системе при потере 1 бита информации выделяется минимальная теплота в несколько джоулей. Принцип связывает информацию с термодинамикой.
За сто лет до Ландауэра венский ученый Людвиг Больцман и шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировали кинетическую теорию газов, воскресив идею древних греков о материи, состоящей из атомов. Отцы статистической динамики сразу же попытались найти лазейки во втором законе термодинамики. Так появился демон Максвелла, противоречащий принципу неубывания энтропии в замкнутых системах.
Работа Ландауэра вдохновила Чарльза Беннета исследовать идею обратимых вычислений. В 1982 году он заявил, что демон должен обладать памятью, и что не измерение, а стирание информации в памяти демона восстанавливает второй закон термодинамики. В результате родилась вычислительная термодинамика.
Команда профессора Джона Гулда из Тринити-колледжа Дублина тщательно изучила экспериментально реалистичный процесс стирания квантовой информации, учитывающий квантовую суперпозицию — кубит может быть одновременно в состоянии нуля или единицы, пишет Phys.org.
Исследователи отмечают, что классические компьютеры функционируют не в строгом соблюдении принципа Ланауэра, потому что это не идеальные системы. Однако он становится все более релевантным для квантовых вычислительных машин.
«Мы задались вопросом: какое значение имеет это явно квантовое свойство для протокола стирания? И ответ оказался неожиданным. Мы обнаружили, что даже в идеальном протоколе стирания — благодаря квантовой суперпозиции — возникнут очень редкие события, которые будут рассеивать тепло намного больше, чем определяет предел Ландауэра», — сказал профессор Гулд.
Ученые математически доказали, что эти события существуют и свойственны только квантовому миру. Это крайне необычное открытие — существование событий аномально высокого тепловыделения при стирании информации — может оказаться чрезвычайно важным для управления тепловым режимом будущих квантовых чипов.
В 2018 группа физиков описала новый вид квантового демона Максвелла — устройства, локально нарушающего второй закон термодинамики в системе. При этом демон не меняет энергию кубита и действует на расстоянии.