Тесты, обзоры, статьи, аналитика

Стирание квантовой информации может давать эффект охлаждения

Сотрудники Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Оксфордского университета установили, что в чисто квантовом случае принцип Ландауэра, иногда рассматриваемый как физический закон, может нарушаться.

Утверждение, высказанное 50 лет назад Рольфом Ландауэром, связывает между собой термодинамику и теорию информации, а также определения энтропии, которые даются в рамках этих двух дисциплин. Ландауэр, физик из IBM, подчеркивал, что информация не существует сама по себе: каждый ее бит кодируется с помощью некой реальной системы, подчиняющейся фундаментальным законам физики. К этим закономерностям, безусловно, относится второе начало термодинамики («энтропия замкнутой системы не может убывать»), а принцип Ландауэра, как было показано в статье, вышедшей в 1985-м в Scientific American, можно считать его логическим следствием.

Обычно принцип формулируют так: любое необратимое действие вроде стирания бита информации требует совершения работы над системой и сопровождается выделением теплоты. Потеря каждого бита будет приводить к выделению теплоты в количестве k•T•ln2, где k — константа Больцмана.

В классической физике принцип Ландауэра обойти не получится, поскольку его нарушение означало бы возможность конструирования вечного двигателя второго рода.

Авторы новой работы, опубликованной в журнале Nature, постарались выяснить, как это правило реализуется в квантовом случае. Отправной точкой их рассуждений становится один неопровержимый факт: наши знания о состоянии физической системы обычно ограничены, так как число параметров, значения которых мы способны измерить и запомнить, конечно, а измерения не бывают идеально точными. Хорошей иллюстрацией здесь служит газ, состоящий из множества частиц; отслеживать состояние каждой из них мы не можем, что не мешает предсказывать поведение этой сложной системы, ориентируясь на известные макроскопические параметры.

Очевидно, что разные наблюдатели, каждому из которых доступен некоторый объем информации, могут иметь разные представления об одной и той же физической реальности. Удобно рассматривать это на примере квантовой системы S из n кубитов (скажем, n частиц с полуцелым спином). Один наблюдатель, которого мы назовем, как принято в криптографии, Алисой, подготавливает эту систему в известном ему чистом состоянии, а второй наблюдатель — Боб — ничего об этом состоянии не знает, но ему известна энергия системы. Осведомленность наблюдателей можно оценить в энтропийных величинах, считая, что энтропия системы возрастает, если экспериментатор получает менее точные сведения о состоянии последней. Таким образом, с точки зрения Алисы, которой известно абсолютно все, энтропия S будет нулевой, а с точки зрения Боба, не имеющего возможности определить, в каком из 2n состояний находится система, — максимально высокой.

Стирание информации можно определить как приведение системы к заранее заданному чистому состоянию |0>. Реализовать стирание в обсуждаемом нами примере (случае частицы с полуцелым спином) позволяет настраиваемое магнитное поле, с помощью которого мы будем манипулировать энергией состояний |↓> и |↑>. В начале опыта магнитное поле выключается, чтобы система оказалась вырожденной, а целью эксперимента будет достижение чистого состояния |↓>.

Алисе известно начальное чистое состояние частицы (для определенности — |↑>). Чтобы перевести ее в состояние |↓>, наблюдателю достаточно выполнить обратимую операцию, энергетическая стоимость которой равна нулю.

Процесс стирания кубита. Боб начинает со смешанного состояния; закрашенная часть кружков отмечает вероятность того, что система находится в том или ином состоянии. Красным обозначен тепловой резервуар. (Иллюстрация из журнала Nature.)

Боб, напротив, представляет исходное состояние как смешанное. Чтобы стереть бит, ему придется связать систему с тепловым резервуаром при температуре T и, варьируя магнитное поле, повышать энергию состояния |↑>. Вероятность того, что система находится в этом состоянии, когда-нибудь дойдет до нулевой, причем энергетическая стоимость процесса стирания будет выражаться упомянутым ранее произведением k•T•ln2.

Все вышесказанное относится к «классическим» Алисе и Бобу — наблюдателям, имеющим классическую внутреннюю память (Алисе, заметим, требуется более объемная память, поскольку она, в отличие от Боба, хранит не одно значение энергии, а полное описание состояния S). Швейцарско-британская группа физиков пошла дальше, разобрав случай «квантового» наблюдателя Чарли, который подготавливает каждую из n частиц, составляющих S, в запутанном состоянии с соответствующим кубитом из своей внутренней памяти. Несложно понять, что квантовый вариант ни в чем не уступает классическому: если провести измерения каждого из внутренних кубитов Чарли, можно получить полный аналог данных, которыми располагает Алиса.

Оценку осведомленности Чарли о состоянии S необходимо давать с учетом квантовой природы имеющейся у него информации. Когда энтропия системы определяется с позиции Алисы и Боба, получить отрицательное значение мы в принципе не можем; для Чарли, однако, условная квантовая энтропия будет отрицательной (–n).

Авторам удалось доказать, что представляющаяся абсурдной отрицательная величина условной энтропии имеет физический — термодинамический — смысл. Как выясняется, в случае Чарли стирание квантового бита дает выигрыш в работе (то есть обеспечивает охлаждение), определяемый все тем же выражением k•T•ln2. Источником энергии, «приобретенной» в этом процессе, становится тепловой резервуар.

После завершения эксперимента запутанное состояние кубитов памяти Чарли и системы S разрушается. Иными словами, наблюдатель имеет чисто классическое представление о конечном состоянии S, выражаемое неотрицательной условной энтропией; это не позволяет Чарли снова получить выигрыш в работе и построить схему, которая нарушала бы законы физики.

По признанию ученых, на современном уровне развития экспериментальной техники наблюдать эти эффекты просто невозможно.

Источник: compulenta.ru




Новости партнеров:


Комментарии:

Тесты, обзоры, статьи, аналитика
Что такое MacBook Pro 14 и для кого он
Одной из главных новинок второй половины 2021 года в мире компьютерной техники по праву считается MacBook Pro 14 – чистокровный наследник классических MacBook Pro 13 прошлых лет.
Чем полезен виртуальный номер и кому он нужен
Виртуальный номер — современная связь для бизнеса при минимальных финансовых затратах и возможностью организовать удаленный колл-центр хоть в Гвадалахаре, Буркина-Фасо или Гонолулу.
Телевизоры со Smart TV: в чем преимущества и особенности моделей?
Некоторые еще помнят те времена, когда мы спешили домой, чтобы посмотреть любимый фильм или передачу, так как больше нигде их нельзя было увидеть. Старые телевизоры могли транслировать только ограниченное количество каналов, и приходилось мириться с этим.
Лучшая камера в смартфоне Apple iPhone 12 Pro Max
Безупречное качество фото- и видеосъемки — пожалуй, одна из основных причин невероятной любви миллионов людей к смартфонам бренда Apple. Действительно, так, как снимают айфоны, не умеет снимать ни один камерофон даже именитых брендов.
Бесплатные мероприятия в Москве Cоветы Путешественникам —
как мы переехали
в Мексику
Свежий номер газеты Телеком

«ТелеКом» уходит в интернет!

Как вернуть исчезнувшие контакты на iPhone после обновления iOS?

Мобильный телефон в отпуске – особенности использования и вероятные поломки

Brosco - модные аксессуары для вашего телефона

EmailMarket – онлайн платформа для поиска лучших специалистов в email маркетинге

Большие возможности при разумной цене смартфона Lenovo A Plus

Квадрокоптеры – история вдохновения

Больше возможностей для email-рассылок за умеренную стоимость с SendPulse

Mestel MO900 – семейная микроволновка

Сколько стоит ремонт ноутбуков и куда стоит обращаться в первую очередь?

Заряд бодрости и оптимизма

Внешние зарядные устройства для мобильных телефонов и девайсов

Аккумуляторы для фотоаппаратов и видеокамер

Как выбрать недорогой китайский смартфон

Возврат обеспечения заявки на участие в тендере

Оптические делители

Восстанавливаем потерянные данные программой EaseUS Data Recovery Wizard

Бронебойный высокопроизводительный смартфон Blackview BV 8000 PRO

Autodesk Vault – компоновка и возможности

Как защитить сайт от вирусов

SSL сертификат – зачем он нужен и какой тип выбрать

Как выбрать проектор для домашнего кинотеатра

Коротко о электрогриле Wollmer S807

Керамика в электротехнике и энергетике

Ремонт планшета Леново

В чем преимущество серверной стойки перед шкафом

Прочный деловой смартфон с неплохими характеристиками и стильным дизайном - Doogee T5S

Запчасти для ноутбуков: плюсы оригинальных комплектующих

Такие разные чехлы и аксессуары от Apple

От яичницы с беконом до шокера. Какими бывают чехлы для смартфона

Причины для замены дисплея на iPad Air 2

Картриджи для ленточной библиотеки – выход для хранения данных

Спидтест интернета с инструкцией устранения проблем представлен на новом ресурсе

Выбираем портативное зарядное устройство

Лучшие смартфоны от производителя Homtom

Выбор мастерских по ремонту гаджетов

Сопровождение 1С: быстрый способ избавиться от проблем

Риски использования одноразовых номеров

Как правильно построить и организовать техническую поддержку ИТ инфраструктуры компании?

Можно ли заправить картридж принтера самостоятельно?

Обмен Perfect Money: возможности собственного обменника и альтернатива порталов мониторинга – что выбрать?

Аренда звука – правильное решение при организации мероприятий

VK70604N: продуманная фильтрация и максимальная практичность

Winter is coming: как выбрать снегоуборочную машину для дома

Особенности выбора сервера 1С

Как ускорить старый ноутбук

Продвигаете сайт? Загляните в соцсети. 5 причин важности маркетинга в социальных сетях

Подписка на новости


Информация

Copyright © 2005-2017
technograd.com


Разработка проекта: Издательский дом RMG

E-mail:
info@technograd.com

Редактор:
editor@technograd.com

Реклама:
adv@technograd.com

Тел. +7 (863) 272-66-06

о проекте>>

Рейтинг@Mail.ru