مارکوس هوبر می‌گوید: «ما دریافتیم که سیستم‌های کوانتومی را می‌توان تعریف کرد که به حالت پایه مطلق اجازه می‌دهد حتی در انرژی محدود و در زمان محدود به آن دست یافت – هیچ‌کدام از ما چنین انتظاری را نداشتیم.» اما این سیستم‌های کوانتومی خاص ویژگی مهم دیگری دارند: آنها بی‌نهایت پیچیده هستند. بنابراین شما به کنترل بی‌نهایت دقیقی بر بی‌نهایت جزئیات سیستم کوانتومی نیاز دارید – سپس می‌توانید 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.
اطلاعات و ترمودینامیک: یک تناقض آشکار
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.
بنابراین اگر می‌خواهید 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 بی‌نهایت پیچیده نیاز دارید که بتواند بی‌نهایت 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 رایانه‌های کوانتومی نیست.
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 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 کتاب‌های درسی می‌شناسیم، سازگار است. اما پس از آن تیم به جزئیات دیگری که اهمیت بسیار زیادی داشت، برخورد کرد:
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.
ریشه‌های مشکل در این واقعیت نهفته است که ترمودینامیک در قرن نوزدهم برای اشیاء کلاسیک – برای موتورهای بخار، یخچال‌ها یا تکه‌های 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.
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 خنک‌کردن به صفر مطلق یکسان هستند – چگونه با هم هماهنگ می‌شوند؟
در کاربردهای عملی فن‌آوری‌های کوانتومی، دما امروزه نقش کلیدی ایفا می‌کند – هر چه دما بالاتر باشد، شکستن و غیرقابل استفاده شدن حالت‌های کوانتومی برای هر کاربرد فنی آسان‌تر 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.”
پاک کردن داده ها در کامپیوتر کوانتومی
