Trinity的研究人员在擦除量子的信息中发现了独特的量子效应,这可能对量子计算芯片的设计产生重大影响。

1961年,当时在IBM的Rolf Landauer发现了热耗散与逻辑上不可逆的运算之间的关系,计算热力学由此诞生。Landauer喊出了著名的“信息即物理”的口号,提醒我们信息不是抽象的概念,而是基于物理实在的性质。

“比特位”是信息的单位(可以为0或1),Landauer发现,擦除单位信息时释放的热量有一个下界。这被称为Landauer极限,是信息论与热力学之间的最重要的联系。

Trinity教授John Goold的QuSys小组正在研究量子计算中删除量子信息的后果,其中量子位(一个qubit,可以同时为0和1)。

在刚刚出版的《Physical Review Letters》上,他们发现要擦除信息的量子性质可能导致散热方面出现大偏差,而这在常规位擦除中是不存在的。

Goold教授解释说:“实际上,计算机不是完善的系统,它的效应远远超出了Landauer的散热区间。但是,对该范围的考察仍很重要,因为随着计算组件的小型化,它就会越来越接近Landauer下界,并且与量子计算机的关系变得越来越重要,令人惊讶的是,如今借助技术,我们可以实现接近这一极限的删除操作。我们问,'这种明显的量子特征对擦除协议有何不同影响?” 结果发现,即使在理想的擦除协议中(由于量子叠加),也会遇到非常罕见的事件,这些事件耗散的热量远远超过Landauer极限。在论文中,我们用数学方法证明了这些事件的存在,并且是独特的量子特征。这是一个非常不寻常的发现,对于将来的量子芯片上的热量管理来说可能非常重要。”

没理解错的话,他们实际的发现是,在量子系统中删除量子信息产生的热量会畸高,这是异常的,但还不至于令人震惊。

原文说复活了麦克斯韦妖,未免是夸大其词。

如果是畸低,低于Landauer下界,那就相当于推翻了信息和热力学的基本关系,那无疑是惊人的。倒是可以说复活了麦克斯韦妖。

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

关于麦克斯韦妖与兰道尔(Rolf Landauer)极限

热力学定律指出,把两杯温度一样的水倒在一起,不会出现上面沸腾,下面结冰的情况。哪怕这种情况可以满足能量守恒。现在,不妨假设有个渗透膜在装满水的容器中间,水分子可以在渗透膜的孔洞处通过——这对前面的热力学结论并无影响。

再制造出一台分子机器人,让为渗透膜守门:

  • 如果上方的热分子——热,因而速度较快——想要通过渗透膜进入下方,机器人就把它踢回去;反之,下方的热分子,想要通过渗透膜,机器人则不管它。
  • 如果上方的冷分子想要通过渗透膜进入下方,机器人不作为;反之,下方的的冷分子想要通过渗透膜,机器人就把它踢回去。
  • 最终结果就是,渗透膜上方的水温越来越高,下方的变冷。

    这种机器人的存在本身也不能违背热力学定律!

    它必须要消耗能量,才能平了“水温分层导致熵减”的账。它的能量消耗在哪里呢?如果这种机器人可以在物理层面制造出来,则它的内存必然是有限的。有限的内存写满了之后,则必须要擦除部分信息,才能继续活动,否则没有内存,指导机器人活动的程序就崩溃了。而这个擦除信息的操作,必须要消耗能量。同时这部分能量是无法通过精确设计来消弭的——机器人踢飞分子的操作理论上存在不消耗能量的可能!

    正是兰道尔发现了擦除信息必然会产生热量,导致熵增——实际上,他证明, 擦除单位比特的信息时,制造的热量有一个下限——即再怎么小心,擦除信息所耗费的能量也不能少于那个值

    兰道尔奠基性的发现推开了计算热力学的大门。 可惜他本人在1999年就去世了,要不然按现在的趋势,很有可能拿到一个诺贝尔。