Експеримент вдається виміряти енергію, що розсіюється вперше, видаливши один біт інформації. Результат підтверджує принцип Ландауера, запропонований в 1961 році.

У термодинаміці ентропія S виглядає як величина, пов'язана з кількістю енергії, яку термодинамічна система не може використати для корисної роботи. З іншого боку, в теорії інформації визначається величина H, яка також називається "ентропією", яка вимірює ступінь непередбачуваності випадкової величини і яка залежить лише від чогось такого абстрактного, як обсяг інформації, який може кодуватися зазначеною змінною ... Зокрема, Н не має нічого спільного з жодною фізичною системою чи будь-яким фізичним законом. Однак якщо обидві величини отримують однакову назву, це тому, що, вдаючись до статистичного формулювання термодинаміки, S і H приймають однаковий формальний вираз.

Фізики завжди вважали, що ця еквівалентність повинна передбачати якийсь глибокий зв'язок між цими двома поняттями. В експерименті, опублікованому в журналі Nature минулого тижня, вперше вдалося виміряти тепло, що розсіюється в процесі стирання інформації, що міститься в одному біті. Результати підтверджують глибокий взаємозв'язок між термодинамікою та інформацією, крім демонстрації фізичних меж, властивих будь-якому незворотному обчислювальному процесу.

інформація

  • Могила Людвіга Больцмана у Віденському університеті. Больцман розробив статистичну формулювання термодинаміки та виявив взаємозв'язок між ентропією та кількістю мікостатів системи, одне з найважливіших рівнянь усіх часів (DADEROT/WIKIMEDIA COMMONS, CC-BY-SA 3.0).

У 1961 році Рольф Ландауер постулював, що сам акт видалення інформації з фізичної системи повинен розсіювати мінімальну кількість енергії в навколишнє середовище. Давайте розглянемо біт, який може бути з рівною ймовірністю в стані 0 або 1. Теорія інформації говорить нам, що ентропія цієї системи дорівнює логарифму кількості можливих станів (у даному випадку двох): H = ln 2. Тепер припустимо, що ми реалізуємо операцію "стирання", яка розміщує біт в стан 1 незалежно від початкового стану. Після видалення ентропія системи буде H = ln 1 = 0 (оскільки можливий лише один кінцевий стан, 1). Тепер, якщо ми визнаємо, що S = H, другий принцип термодинаміки говорить нам, що це зменшення ентропії може мати місце лише в тому випадку, якщо воно супроводжується випромінюванням тепла в середовище не менше Q = kT ln 2, де k константа Больцмана і Т - температура системи. Це має бути так, незалежно від фізичної системи, що становить біт.

Це явище було підтверджено А.Берутом із вищого навчального закладу Франції та його співавторами в експерименті. Його шматочок складався з дрібної частинки скла, зануреної в олію. Лазер створив подвійну оптичну пастку з двома потенційними мінімумами, які змусили частинку знаходитися вліво (0) або вправо (1). Процес стирання полягав у зменшенні інтенсивності лазера, нахилі контейнера вправо за допомогою невеликого п’єзоелектричного двигуна та піднятті потенційного бар’єру між обома місцями: система, ідентична початковій, але яка забезпечує, щоб частинка була знайдено в штаті 1.

Дослідники досягли того, що терміни термодинамічного циклу були набагато більшими, ніж часи релаксації системи, утвореної зваженою частинкою, з якою вони могли постійно працювати з квазістатичною системою, до якої вони могли застосувати другий принцип термодинаміки . На границі дуже повільного циклу автори виміряли, що кількість тепла, що розсіюється в навколишнє середовище, було асимптотично близьким до межі Ландауера: Q = kT ln 2.