Принцип Ландауэра проверен впервые

  Исследование связи термодинамики и теории информации помогает учёным определить физический лимит эффективности необратимых вычислений, следовательно, работы классических компьютеров (иллюстрация с сайта physicsworld.com).

Физикам удалось измерить минимальное количество тепла, рассеиваемого системой при стирании одного бита информации. Опыт имеет прямое отношение к подтверждению второго начала термодинамики, поиску границ эффективности компьютеров и способов обхода этих пределов.

Выдающийся эксперимент провели исследователи из трёх университетов Франции и Германии. Они построили ячейку памяти на основе микроскопической коллоидной частицы и впервые измерили энергию, безвозвратно рассеиваемую в окружающую среду при уничтожении информации в ней. Это количество тепла оказалось близким к значению, предсказанному 51 год назад.

Рассеиваемое схемой тепло определяет минимум мощности, необходимой данной машине для работы. Этот предел (по теории он составляет примерно 10^-21 Дж на каждый стираемый бит) определяется принципом Ландауэра, являющимся своеобразным отражением второго закона термодинамики и закона неубывания энтропии.

В соответствии с ними необратимое стирание информации является диссипативным процессом.

В самом деле, если в начале опыта мы имеем ячейку, которая с равной вероятностью может содержать 0 или 1, у нас имеется некая ненулевая энтропия (мера беспорядка).

Если далее мы сотрём информацию, переведя значение бита в 1, вне зависимости от исходного его состояния, энтропия ячейки памяти станет равной нулю (у нас ведь появляется полная определённость). При этом информация разрушается, поскольку у нас нет возможности узнать предыдущее значение ячейки (перезапись бита куда-либо – не считается).

По законам термодинамики эта потерянная энтропия должна быть передана внешней среде в виде тепла. Однако измерить его на опыте было очень сложно, так как речь идёт об очень малой величине.

Этот подвиг и удалось совершить французским и немецким экспериментаторам. Как повествует Physics World, они взяли кварцевую бусинку диаметром два микрометра и поместили её в воду.

На бусинку был направлен лазерный луч оптического пинцета. При этом свет был отрегулирован так, что были созданы две потенциальные ямы, в которые мог свалиться этот шарик. Условно они были названы «левая» и «правая». Им присвоили логические значения 0 и 1.

Бусина в двойной оптической ловушке. По вертикали показан энергетический потенциал ям, по горизонтали – смещение шарика. Видно, как учёные могут влиять на поведение бусинки, меняя высоту центрального барьера и глубину двух потенциальных ям справа и слева от него (иллюстрация Antoine Bérut et al./ Nature).

Управляя глубиной каждой из ям по отдельности, а также высотой барьера между ними, учёные могли влиять на вероятность нахождения бусинки в правом или левом положении, а значит — записывать в ячейку информацию и стирать её.

Так, если барьер был невелик, хаотичное тепловое движение могло перебрасывать бусину из одного положения в другое с равной вероятностью, далее если яма «1» делалась глубже, чем яма «0», то бусина с большей вероятностью попадала в правое положение. Теперь можно было тут же увеличить высоту энергетического барьера и зафиксировать это новое состояние ячейки памяти.

За всеми перемещениями шарика следила высокоскоростная камера, показания которой и помогли вычислить тепловую энергию, передаваемую от движущегося шарика воде (за счёт сил трения) в момент перескока из одной потенциальной ямы в другую.

Экспериментаторы провели этот опыт сотни раз с разными значениями времени перехода шарика из одной позиции в другую. Полученные данные оказались хорошо согласованными с принципом Ландауэра. (Подробности опыта изложены в Nature.)

Это достижение поможет прояснить сразу несколько вещей. Во-первых, таким путём физики пытаются понять, что будет происходить по мере снижения размеров частей микросхем и приближения их к масштабу, на котором затрачиваемая мощность будет сравнима по порядку с тепловыми флуктуациями.

Во-вторых, опыт поможет взглянуть свежим взглядом на попытки обойти лимит Ландауэра. А тут намечается несколько путей.

Например, учёные рассуждают о возможности организовать обратимые вычисления (Reversible computing), в которых энтропия всей системы не возрастает.

Кроме того, не так давно теоретики показали, что в квантовых компьютерах стирание битов может приводить к отрицательным значениям энтропии ячейки и охлаждению системы, вместо рассеивания тепла. Этот трюк является в некотором роде обходом принципа Ландауэра.

Наконец, как атаку на второе начало можно восприниматьреализованный японцами полтора года назад двигатель Сциларда (он же – вариация демона Максвелла), который превращает информацию в энергию. Правда, законы термодинамики и тут устояли, несмотря на работоспособность системы.