Consolidarea celei de-a doua legi a termodinamicii

Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, entropia totală a unui proces închis poate crește sau rămâne neschimbată, dar nu poate scădea niciodată.

A doua lege garantează, de exemplu, că un ou se poate clătina de pe masă și poate lăsa mizerie pe podea, dar că o astfel de mizerie nu va forma niciodată un ou și va sări înapoi pe masă, scrie Phys.org.

• Mii de vieți ar putea fi salvate prin combinarea a două medicamente care scad colesterolul
• Cum au reușit cercetătorii să facă pixeli mai mici decât un virus?

Sau aerul va scăpa dintr-un balon, dar balonul nu se va umfla niciodată de la sine. Cel puțin din secolul al XIX-lea, fizicienii au investigat rolul entropiei în teoria informației, studiind tranzacțiile energetice de adăugare sau ștergere a biților din computere, de exemplu.

Termodinamica calculului este un obiectiv de cercetare al fizicianului SFI David Wolpert, care, în ultimii ani, colaborează cu Artemy Kolchinsky, fizician și fost bursier postdoctoral SFI, pentru a înțelege mai bine legătura dintre termodinamică și procesarea informațiilor în calcul.

Studiul are utilitate în nenumărate domenii

Cea mai recentă explorare a subiectului celei de-a doua legi a termodinamicii, publicată în Physical Review E, urmărește aplicarea acestor idei într-o gamă largă de domenii clasice și cuantice, inclusiv termodinamica cuantică.

„Sistemele de calcul sunt concepute special pentru a pierde informații despre trecutul lor, pe măsură ce evoluează”, spune Wolpert.

Dacă o persoană introduce „2+2” într-un calculator și apoi apasă „enter”, computerul dă răspunsul 4. În același timp, mașina pierde informații despre intrare, deoarece nu numai 2+2, ci și 3+1 (și alte perechi de numere) pot produce aceeași ieșire. Numai din răspuns, aparatul nu poate raporta ce pereche de numere a acționat ca intrare.

În 1961, fizicianul IBM Rolf Landauer a descoperit că atunci când informația este ștearsă, ca în timpul unui astfel de calcul, entropia calculatorului scade (prin pierderea informațiilor), ceea ce înseamnă că entropia mediului trebuie să crească.

Dacă ștergi puțină informație, trebuie să generezi puțină căldură”, spune Kolchinsky.

Wolpert și Kolchinsky au vrut să știe: Care este acel cost energetic al ștergerii informațiilor pentru un anumit sistem? Landauer a derivat o ecuație pentru cantitatea minimă de energie care este produsă în timpul ștergerii, dar duoul SFI a descoperit că majoritatea sistemelor produc de fapt mai mult. „Există un cost care apare dincolo de limitele lui Landauer”, spune Kolchinsky.

Singura modalitate de a atinge pierderea minimă de energie a lui Landauer, spune el, este de a proiecta un computer cu o anumită sarcină în minte. Dacă computerul efectuează un alt calcul, atunci va genera entropie suplimentară.

Consolidarea fundamentului celei de-a doua legi a termodinamicii

Kolchinsky și Wolpert au demonstrat că două computere ar putea efectua același calcul, de exemplu, dar diferă în producția de entropie din cauza așteptărilor lor pentru intrări. Cercetătorii numesc acest lucru „nepotrivire de cost” sau costul greșirii.

„Este diferența dintre sarcina pentru care a fost construită mașina de calcul și sarcina pentru care o folosești”, spune Kolchinsky.

În lucrările anterioare, duoul a demonstrat că această nepotrivire de cost este un fenomen general care poate fi explorat într-o varietate de sisteme, nu numai în teoria informației, ci și în fizică sau biologie.

Ei au găsit o relație fundamentală între ireversibilitatea termodinamică – cazul în care entropia crește – și ireversibilitatea logică – cazul în calcul în care starea inițială este pierdută. Într-un fel, au consolidat fundamentul celei de-a doua legi a termodinamicii.

Computerele cuantice sunt vulnerabile la pierderi și erori

În cea mai recentă cercetare, Kolchinsky și Wolpert demonstrează că această relație fundamentală se extinde chiar mai mult decât credeau anterior, inclusiv la termodinamica computerelor cuantice. Informațiile din computerele cuantice sunt vulnerabile la pierderi sau erori din cauza fluctuațiilor statistice sau a zgomotului cuantic, motiv pentru care fizicienii caută noi metode de corectare a erorilor.

O mai bună înțelegere a nepotrivirii de cost, spune Kolchinsky, ar putea duce la o mai bună înțelegere a modului de a prezice și corecta aceste erori.

„Există această relație profundă între fizică și teoria informației”, spune Kolchinksy.

Vă recomandăm să citiți și:

PREMIUL NOBEL pentru FIZICĂ 2021, acordat lui Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann și Giorgio Parisi „pentru contribuții fără precedent la înțelegerea sistemelor fizice complexe”

Cercetătorii coreeni au creat o vopsea care funcționează la fel ca panourile fotovoltaice

Iluzia optică care te înnebunește! Ce culoare au, de fapt, cele două cranii

Creaţie uimitoare a fizicienilor: primul dispozitiv care generează masă negativă