Entropie, teplo, teorie informace – pojmy, které jsou pro selský rozum poněkud matoucí. Nadto se pojem entropie používá v termodynamice i v teorii informace, a zda je „matematické" a „fyzikální" chápání totožné nebo analogické, to se už zdá být otázkou až příliš filozofickou.
Každopádně předpokládáme, že proces zpracování informace bude podléhat druhému zákonu termodynamiky o růstu entropie. Jakákoliv operace v počítačích proto povede k uvolnění tepla (nejméně uspořádané formy energie). Zdá se být absurdní, že by se počítače mohly prováděním aritmetických operací naopak chladit. Nicméně přesto to takhle údajně může fungovat. Lze vzít obsah paměti kvantově provázaný (propletený – entanglement) s dalšími objekty, ať už jsou spolu aktuálně ve fyzickém kontaktu. Vymazání paměti pak povede k ochlazení.
Jak je to možné? Vždyť vymazání bitů z paměti je prostě operace jako každá jiná (třeba zápis), takže by při ní mělo dojít k nárůstu entropie projevující se uvolněním tepla. Což už v roce 1961 prokázal fyzik Rolf Landauer.
Nejde přitom zdaleka jen o záležitost teorie, protože chlazení počítačů dnes stojí čím dál více energie a s pokračující miniaturizací je tyto procesy obtížné vůbec realizovat. Je sice pravda, že samotné aritmetické operace produkují pouze zanedbatelné množství tepla (přepsání 10 TB disku uvolní méně než miliontinu joulu), nicméně s tím, jak se zvyšuje jejich rychlost, je i tento příspěvek významný.
Lidia del Rio a Renato Renner ze Švýcarského technologického institutu v Curychu nyní prokázali, že Landauerův zákon se však dá obejít, ba dokonce téměř obrátit, a to za použití antiintuitivních vlastností na kvantové úrovni.
Tady to celé začíná být komplikované. Entropie totiž (alespoň podle určitého chápání) není běžná fyzikální veličina typu teploty, ale spíše „subjektivní" - odpovídá totiž naší znalosti systému. Představte si tedy, že někdo chce vymazat paměť, tj. všechny bity v ní přepsat na hodnotu 0. Pokud znáte obsah paměti, stačí nulou přepsat pouze jedničky, v opačném případě je třeba přepisovat vše. Ve druhém případě je třeba udělat více práce a uvolní se více tepla. Jenže to není vše. Pokud znáte obsah paměti, pak ji můžete vytvořit znovu, takže proces jejího vymazání je vratný. Tudíž, říkají fyzikální zákony, se při tomto procesu entropie nemůže změnit a neuvolňuje se ani žádné teplo, alespoň teoreticky.
A nyní, pokud je obsah paměti ještě kvantově propleten s dalšími objekty, pak při znalosti obsahu paměti vlastně máte „více než úplnou" znalost. Kvantová entropie je pak záporná, což je něco, co v klasické fyzice nemá ekvivalent (zde je možná jen úplná znalost odpovídající nulové entropii). Vymazání paměti se pak má projevit naopak poklesem entropie („podmíněné entopie" - conditional) a teplo se při procesu spotřebovává. Tolik alespoň dle vědců říká matematický model, prakticky se nic podobného zkonstruovat nepodařilo. Nicméně údajně by se zítřejší počítače tímto způsobem opravdu chladit mohly. Byl by to hezký příklad praktického využití podivných vlastností kvantového světa.
Ještě je třeba dodat, že druhý zákon termodynamiky o neustálém růstu entropie tímto způsobem porušen není. Entropie totiž roste při vytváření propletených objektů a získávání znalosti o systému. Není to ani žádné perpetuum mobile, paměť lze smazat jen jednou.
Článek na toto téma byl publikován v časopisu Nature.
Zdroj: New Scientist, ScienceDaily
PŘEDPLATNÉ
ČLÁNKY DO MAILU