
بروزرسانی: 23 تیر 1404
پاک کردن کامل داده ها و رسیدن به پایین ترین دمای ممکن - به نظر می رسد این دو چیز کاملاً متفاوت هستند، اما کاملاً در هم تنیده هستند - ScienceDaily
بنابراین اگر می خواهید اطلاعات کوانتومی را در یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً پاک کنید و در این فرآیند یک کیوبیت را به حالت پایه کاملاً خالص منتقل کنید، از نظر تئوری به یک رایانه کوانتومی بی نهایت پیچیده نیاز دارید که بتواند بی نهایت ذره را کنترل کند.» مارکوس هوبر می گوید. اما در عمل، کمال لازم نیست -- هیچ ماشینی هرگز کامل نیست. کافی است یک کامپیوتر کوانتومی کار خود را به خوبی انجام دهد. بنابراین نتایج جدید اصولاً مانعی برای توسعه رایانه های کوانتومی نیست.
در کاربردهای عملی فن آوری های کوانتومی، دما امروزه نقش کلیدی ایفا می کند - هر چه دما بالاتر باشد، شکستن و غیرقابل استفاده شدن حالت های کوانتومی برای هر کاربرد فنی آسان تر است. مارکوس هوبر می گوید: دقیقاً به همین دلیل است که درک بهتر ارتباط بین نظریه کوانتومی و ترمودینامیک بسیار مهم است. "در حال حاضر پیشرفت های جالب زیادی در این زمینه وجود دارد. به آرامی می توان دید که چگونه این دو بخش مهم فیزیک در هم تنیده می شوند."
منبع
وقتی ذرات کوانتومی به صفر مطلق می رسند، وضعیت آنها دقیقاً مشخص می شود: تضمین می شود که در حالتی با کمترین انرژی قرار دارند. پس از آن ذرات دیگر حاوی هیچ اطلاعاتی در مورد وضعیتی که قبلاً در آن قرار داشتند، نیستند. هر چیزی که ممکن است قبلاً برای ذره اتفاق افتاده باشد کاملاً پاک می شود. از نقطه نظر فیزیک کوانتومی، خنک کردن و حذف اطلاعات ارتباط نزدیکی با هم دارند.
پاک کردن داده ها در کامپیوتر کوانتومی
ریشه های مشکل در این واقعیت نهفته است که ترمودینامیک در قرن نوزدهم برای اشیاء کلاسیک - برای موتورهای بخار، یخچال ها یا تکه های درخشان زغال سنگ - فرموله شد. در آن زمان، مردم هیچ ایده ای در مورد نظریه کوانتومی نداشتند. اگر بخواهیم ترمودینامیک ذرات منفرد را درک کنیم، ابتدا باید نحوه تعامل ترمودینامیک و فیزیک کوانتومی را تجزیه و تحلیل کنیم -- و این دقیقاً همان کاری است که مارکوس هوبر و تیمش انجام دادند.
مارکوس هوبر می گوید: «ما به سرعت متوجه شدیم که برای رسیدن به صفر مطلق لزوماً نیازی به استفاده از انرژی بی نهایت نیست. "این با انرژی محدود نیز امکان پذیر است - اما پس از آن برای انجام آن به زمان بی نهایت طولانی نیاز دارید." تا این مرحله، ملاحظات همچنان با ترمودینامیک کلاسیک، همانطور که از کتاب های درسی می شناسیم، سازگار است. اما پس از آن تیم به جزئیات دیگری که اهمیت بسیار زیادی داشت، برخورد کرد:
در این مرحله، دو نظریه فیزیکی مهم به هم می رسند: نظریه اطلاعات و ترمودینامیک. اما به نظر می رسد که این دو با یکدیگر تناقض دارند: پروفسور مارکوس هوبر از این نظریه توضیح می دهد: "از نظریه اطلاعات، ما به اصطلاح اصل لاندوئر را می دانیم. می گوید که حداقل مقدار انرژی بسیار خاصی برای حذف یک بیت از اطلاعات لازم است." موسسه اتمی TU Wien. با این حال، ترمودینامیک می گوید که برای خنک کردن هر چیزی دقیقاً به صفر مطلق نیاز به مقدار بی نهایت انرژی دارید. اما اگر حذف اطلاعات و خنک کردن به صفر مطلق یکسان هستند - چگونه با هم هماهنگ می شوند؟
کمترین مطلق دمای ممکن 273.15- درجه سانتیگراد است. هرگز نمی توان هر جسمی را دقیقاً تا این دما خنک کرد -- فقط می توان به صفر مطلق نزدیک شد. این قانون سوم ترمودینامیک است.
یک تیم تحقیقاتی در TU Wien (وین) اکنون این سوال را بررسی کرده اند: چگونه می توان این قانون را با قوانین فیزیک کوانتومی تطبیق داد؟ آنها موفق به توسعه "نسخه کوانتومی" قانون سوم ترمودینامیک شدند: از لحاظ نظری، صفر مطلق قابل دستیابی است. اما برای هر دستور العمل قابل تصوری برای آن، به سه ماده نیاز دارید: انرژی، زمان و پیچیدگی. و تنها در صورت داشتن مقدار نامحدود یکی از این مواد می توانید به صفر مطلق برسید.
مارکوس هوبر می گوید: «ما دریافتیم که سیستم های کوانتومی را می توان تعریف کرد که به حالت پایه مطلق اجازه می دهد حتی در انرژی محدود و در زمان محدود به آن دست یافت - هیچ کدام از ما چنین انتظاری را نداشتیم.» اما این سیستم های کوانتومی خاص ویژگی مهم دیگری دارند: آنها بی نهایت پیچیده هستند. بنابراین شما به کنترل بی نهایت دقیقی بر بی نهایت جزئیات سیستم کوانتومی نیاز دارید - سپس می توانید یک جسم کوانتومی را در زمان محدود با انرژی محدود به صفر مطلق سرد کنید. البته در عمل این امر به اندازه انرژی بی نهایت زیاد یا زمان بی نهایت طولانی دست نیافتنی است.
انرژی، زمان و پیچیدگی
اطلاعات و ترمودینامیک: یک تناقض آشکار