刪除量子資訊時會產生奇特的量子熱力學效應

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摘 要

Trinity的研究人員在擦除量子的資訊中發現了獨特的量子效應,這可能對量子計算晶片的設計產生重大影響。

Trinity的研究人員在擦除量子的資訊中發現了獨特的量子效應,這可能對量子計算晶片的設計產生重大影響。

1961年,當時在IBM的Rolf Landauer發現了熱耗散與邏輯上不可逆的運算之間的關係,計算熱力學由此誕生。Landauer喊出了著名的「資訊即物理」的口號,提醒我們資訊不是抽象的概念,而是基於物理實在的性質。

「比特位」是資訊的單位(可以為0或1),Landauer發現,擦除單位資訊時釋放的熱量有一個下界。這被稱為Landauer極限,是資訊論與熱力學之間的最重要的聯繫。

Trinity教授John Goold的QuSys小組正在研究量子計算中刪除量子資訊的後果,其中量子位(一個qubit,可以同時為0和1)。

在剛剛出版的《Physical Review Letters》上,他們發現要擦除資訊的量子性質可能導致散熱方面出現大偏差,而這在常規位擦除中是不存在的。

Goold教授解釋說:「實際上,計算機不是完善的系統,它的效應遠遠超出了Landauer的散熱區間。但是,對該範圍的考察仍很重要,因為隨著計算組件的小型化,它就會越來越接近Landauer下界,並且與量子計算機的關係變得越來越重要,令人驚訝的是,如今借助技術,我們可以實現接近這一極限的刪除操作。我們問,’這種明顯的量子特征對擦除協議有何不同影響?」 結果發現,即使在理想的擦除協議中(由於量子疊加),也會遇到非常罕見的事件,這些事件耗散的熱量遠遠超過Landauer極限。在論文中,我們用數學方法證明了這些事件的存在,並且是獨特的量子特征。這是一個非常不尋常的發現,對於將來的量子晶片上的熱量管理來說可能非常重要。」

沒理解錯的話,他們實際的發現是,在量子系統中刪除量子資訊產生的熱量會畸高,這是異常的,但還不至於令人震動。

原文說復活了麥克斯韋妖,未免是誇大其詞。

如果是畸低,低於Landauer下界,那就相當於推翻了資訊和熱力學的基本關係,那無疑是驚人的。倒是可以說復活了麥克斯韋妖。

https://phys.org/news/2020-10-team-uniquely-quantum-effect-erasing.html

關於麥克斯韋妖與蘭道爾(Rolf Landauer)極限

熱力學定律指出,把兩杯溫度一樣的水倒在一起,不會出現上面沸騰,下面結冰的情況。哪怕這種情況可以滿足能量守恒。現在,不妨假設有個滲透膜在裝滿水的容器中間,水分子可以在滲透膜的孔洞處通過——這對前面的熱力學結論並無影響。

再制造出一臺分子機器人,讓為滲透膜守門:

  • 如果上方的熱分子——熱,因而速度較快——想要通過滲透膜進入下方,機器人就把它踢回去;反之,下方的熱分子,想要通過滲透膜,機器人則不管它。
  • 如果上方的冷分子想要通過滲透膜進入下方,機器人不作為;反之,下方的的冷分子想要通過滲透膜,機器人就把它踢回去。
  • 最終結果就是,滲透膜上方的水溫越來越高,下方的變冷。

    這種機器人的存在本身也不能違背熱力學定律!

    它必須要消耗能量,才能平了「水溫分層導致熵減」的帳。它的能量消耗在哪裡呢?如果這種機器人可以在物理層面制造出來,則它的記憶體必然是有限的。有限的記憶體寫滿了之後,則必須要擦除部分資訊,才能繼續活動,否則沒有記憶體,指導機器人活動的程序就崩潰了。而這個擦除資訊的操作,必須要消耗能量。同時這部分能量是無法通過精確設計來消弭的——機器人踢飛分子的操作理論上存在不消耗能量的可能!

    正是蘭道爾發現了擦除資訊必然會產生熱量,導致熵增——實際上,他證明, 擦除單位比特的資訊時,制造的熱量有一個下限——即再怎麼小心,擦除資訊所耗費的能量也不能少於那個值

    蘭道爾奠基性的發現推開了計算熱力學的大門。 可惜他本人在1999年就去世了,要不然按現在的趨勢,很有可能拿到一個諾貝爾。

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