Egy kísérletnek sikerül megmérnie az első alkalommal elszórt energiát egyetlen információ törlésével. Az eredmény igazolja az 1961-ben javasolt Landauer-elvet.

A termodinamikában az S entrópia az energiamennyiséghez kapcsolódó mennyiségként jelenik meg, amelyet a termodinamikai rendszer nem tud hasznosítani hasznos munkához. Másrészt az információelméletben meghatároznak egy H mennyiséget, más néven "entrópiát", amely egy véletlen változó kiszámíthatatlanságának mértékét méri, és ez csak olyan elvont dologtól függ, mint az információ mennyisége, amelyet az említett változó képes kódolni. Különösen H-nak semmi köze semmiféle fizikai rendszerhez vagy bármilyen fizikai törvényhez. Ha azonban mindkét mennyiség ugyanazt a nevet kapja, az azért van, mert amikor a termodinamika statisztikai megfogalmazásához folyamodnak, S és H ugyanazt a formális kifejezést alkalmazzák.

A fizikusok mindig úgy gondolták, hogy ennek az egyenértékűségnek valamilyen mély kapcsolatot kell magában hordoznia a két fogalom között. A Nature folyóiratban a múlt héten közzétett kísérletnek sikerült először megmérnie az egyetlen bitben található információk törlése során eloszlott hőt. Az eredmények megerősítik a termodinamika és az információ közötti mély kapcsolatot, amellett, hogy bemutatják a visszafordíthatatlan számítási folyamatok rejlő fizikai határokat.

termodinamikai

  • Ludwig Boltzmann sírja a bécsi egyetemen. Boltzmann kidolgozta a termodinamika statisztikai megfogalmazását, és felfedezte az entrópia és a rendszer mikosztátainak száma közötti kapcsolatot, minden idők egyik legfontosabb egyenletét (DADEROT/WIKIMEDIA COMMONS, CC-BY-SA 3.0).

1961-ben Rolf Landauer azt feltételezte, hogy pusztán az információ fizikai rendszerből történő törlésével minimális mennyiségű energiát kell eloszlatnia a környezetben. Vegyünk egy bitet, amely ugyanolyan valószínűséggel lehet 0 vagy 1 állapotban. Az információelmélet elmondja, hogy ennek a rendszernek az entrópiája megegyezik a lehetséges állapotok számával (ebben az esetben kettő): H = ln 2. Tegyük fel, hogy végrehajtunk egy "törlés" műveletet, amely a bitet 1. állapot függetlenül annak kezdeti állapotától. Törlés után a rendszer entrópiája H = ln 1 = 0 lesz (mivel csak egy lehetséges végállapot létezik, 1). Most, ha elfogadjuk, hogy S = H, a termodinamika második elve azt mondja nekünk, hogy ez az entrópia csökkenés csak akkor valósulhat meg, ha azzal együtt jár a hő kibocsátása a közegbe, amely nem kevesebb, mint Q = kT ln 2, ahol k Boltzmann és T állandója a rendszer hőmérséklete. Ennek így kell lennie, függetlenül a bitet alkotó fizikai rendszertől.

Ez volt az a jelenség, amelyet A. Bérut, az Ecole Normale Supérieure de France-ból, és az együttműködők igazolni tudtak kísérletük során. Bitje olajba merített kis üvegszemcséből állt. Egy lézer kettős optikai csapdát hozott létre, két potenciális minimummal, amelyek a részecskét balra (0) vagy jobbra (1) kényszerítették. A törlési eljárás abból állt, hogy csökkentette a lézer intenzitását, egy kis piezoelektromos motor segítségével jobbra billentette a tartályt, és megemelte a potenciális akadályt mindkét hely között: egy olyan rendszer, amely azonos a kezdettel, de biztosítja, hogy a részecske 1. állapotban található.

A kutatók azt értékelték, hogy a termodinamikai ciklusidők sokkal magasabbak voltak, mint a lebegő részecske által képzett rendszer relaxációs ideje, amellyel folyamatosan dolgozhattak egy kvázi-statikus rendszerrel, amelyre a termodinamika második elvét alkalmazták . A nagyon lassú ciklushatárnál a szerzők azt mérték, hogy a környezetbe elvezetett hőmennyiség aszimptotikusan megközelíti a Landauer-határt: Q = kT ln 2.