Forskare från Trinity har upptäckt en unik kvanteffekt när de raderar information som kan ha betydande konsekvenser för utformningen av kvantberäkningschips. Deras överraskande upptäckt väcker liv i den paradoxala "Maxwells demon, "som har plågat fysiker i över 150 år.

Beräkningens termodynamik framträdde 1961 när Rolf Landauer, sedan på IBM, upptäckte ett samband mellan värmeavledning och logiskt irreversibla operationer. Landauer är känt för mantrat "Information is Physical, "som påminner oss om att information inte är abstrakt och är kodad på fysisk hårdvara.

"Biten" är informationsvalutan (den kan antingen vara noll eller en) och Landauer upptäckte att när en bit raderas frigörs en minsta mängd värme. Detta är känt som Landauers gräns och är den definitiva länken mellan informationsteori och termodynamik.

Professor John Goolds QuSys -grupp vid Trinity analyserar detta ämne med kvantberäkning i åtanke, där en kvantbit (en kvbit, som kan vara noll och en samtidigt) raderas.

I just publicerat arbete i tidningen, Fysiska granskningsbrev , gruppen upptäckte att kvantiteten hos den information som ska raderas kan leda till stora avvikelser i värmeavledningen, som inte förekommer vid konventionell bitradering.

Termodynamik och Maxwells demon

Hundra år innan Landauer upptäckte människor som wienerforskare, Ludwig Boltzmann, och skotsk fysiker, James Clerk Maxwell, formulerade den kinetiska teorin om gaser, återuppliva en gammal idé om de gamla grekerna genom att tänka på att materia består av atomer och härleda makroskopisk termodynamik från mikroskopisk dynamik.

Professor Goold säger:"Statistisk mekanik berättar att saker som tryck och temperatur, och till och med termodynamikens lagar själva, kan förstås av det genomsnittliga beteendet hos materiens atomiska beståndsdelar. Termodynamikens andra lag gäller något som kallas entropi som, i ett nötskal, är ett mått på störningen i en process. Den andra lagen säger oss att i avsaknad av yttre ingrepp, alla processer i universum tenderar, i genomsnitt, för att öka deras entropi och nå ett tillstånd som kallas termisk jämvikt.

"Det säger oss att när den blandas, två gaser vid olika temperaturer kommer att nå ett nytt jämviktstillstånd vid medeltemperaturen för de två. Det är den yttersta lagen i den meningen att varje dynamiskt system är underkastat det. Det finns ingen flykt:allt kommer att nå jämvikt, även du."

Dock, de grundläggande fäderna till den statistiska mekaniken försökte plocka hål i den andra lagen redan från början av den kinetiska teorin. Tänk igen på exemplet med en gas i jämvikt:Maxwell föreställde sig en hypotetisk "snyggfingrade" varelse med förmågan att spåra och sortera partiklar i en gas baserat på deras hastighet.

Maxwells demon, som varelsen blev känd, kunde snabbt öppna och stänga en dörr i en låda som innehåller en gas, och släpp varma partiklar igenom till ena sidan av lådan men begränsa kalla till den andra. Detta scenario tycks motsäga termodynamikens andra lag eftersom den totala entropin tycks minska och kanske fysikens mest kända paradox föddes.

Men hur är det med Landauers upptäckt om den värmeavledande kostnaden för att radera information? Väl, det tog ytterligare 20 år tills det var fullt uppskattat, paradoxen löst, och Maxwells demon exorcised slutligen.

Landauers arbete inspirerade Charlie Bennett - även hos IBM - att undersöka idén med reversibel datorer. År 1982 hävdade Bennett att demonen måste ha ett minne, och att det inte är mätningen utan radering av informationen i demonens minne som är den handling som återställer den andra lagen i paradoxen. Och, som ett resultat, beräkningstermodynamik föddes.

Nya fynd

Nu, 40 år senare, det är här det nya arbetet som leds av professor Goolds grupp framträder, med rampljuset på kvantberäkningstermodynamik.

I den senaste tidningen, publicerad med kollaboratören Harry Miller vid University of Manchester och två postdoktorer i QuSys Group at Trinity, Mark Mitchison och Giacomo Guarnieri, laget studerade mycket noga en experimentellt realistisk raderingsprocess som möjliggör kvantöverlagring (qubit kan vara i tillstånd noll och en samtidigt).

Professor Goold förklarar:"I verkligheten datorer fungerar långt borta från Landauers gräns för värmeavledning eftersom de inte är perfekta system. Dock, det är fortfarande viktigt att tänka på gränsen eftersom när miniatyriseringen av datorkomponenter fortsätter, den gränsen blir allt närmare, och det blir mer relevant för kvantberäkningsmaskiner. Det som är fantastiskt är att med teknik i dessa dagar kan du verkligen studera radering som närmar sig den gränsen.

"Vi frågade, 'Vilken skillnad gör denna tydliga kvantfunktion för raderingsprotokollet?' Och svaret var något vi inte förväntade oss. Vi fann att även i ett idealiskt raderingsprotokoll - på grund av kvantöverlagring - får du mycket sällsynta händelser som sprider värme mycket större än Landauer -gränsen.

"I tidningen, vi bevisar matematiskt att dessa händelser existerar och är en unik kvantfunktion. Detta är ett mycket ovanligt fynd som kan vara riktigt viktigt för värmehantering på framtida kvantchips - även om det finns mycket mer arbete att göra, i synnerhet vid analys av snabbare operationer och termodynamiken för andra grindimplementeringar.

"Även 2020, Maxwells demon fortsätter att ställa grundläggande frågor om naturlagarna. "