Nowe rozumienie entropii umożliwi chłodzenie komputerów

Każdy, kto miał do czynienia z komputerem wie, że podczas pracy urządzenie to emituje ciepło. Tymczasem fizycy teoretyczni doszli do wniosku, że procesy obliczeniowe mogą czasem nie tylko nie generować ciepła, ale nawet chłodzić.

Profesor Renato Renner ze Szwajcarskieg Instytut Technologii (ETH) i Vlatko Vedral z Narodowego Uniwersytetu Singapuru i University of Oxford wraz z kolegami opisali w piśmie Nature w jaki sposób usuwanie danych może wywoływać efekt chłodzenia zamiast generować ciepło.

Uczeni zauważyli, że w pewnych warunkach gdy pojawia się kwantowe splątanie, dochodzi do chłodzenia. Niewykluczone, że możliwe będzie wykorzystanie tego efektu do chłodzenia superkomputerów. Uzyskanie kontroli na poziomie kwantowym, co jest konieczne do wykorzystania tego zjawiska do chłodzenia superkomputerów, będzie trudne ale nie niemożliwe. W ciągu ostatnich 20 lat byliśmy świadkami olbrzymiego postępu w technologiach kwantowych - mówi Vedral. Już dzisiaj, jego zdaniem, technika pozwala na przeprowadzenie eksperymentu z udziałem kilku bitów, który pozwoliłby na potwierdzenie teoretycznych obliczeń.

W roku 1961 Rolf Landauer, fizyk pracujący dla IBM-a sformułował swoją zasadę mówiącą, że wymazanie bitu informacji wymaga utraty energii w postaci ciepła. Wykazał też, że istnieje fizyczna granica minimalnego wydatku energii potrzebnego do wykasowania informacji. A to z kolei oznacza, że nadejdzie chwila, w której nie będzie możliwe zmniejszenie produkcji ciepła, co przy rosnącym zagęszczeniu układów elektronicznych i ich coraz bardziej wydajnej pracy oznacza, iż będą one produkowały coraz więcej ciepła. Obecnie taka sytuacja nam nie grozi, ale profesor Renner przewiduje, że granicę wyznaczoną przez Landauera możemy osiągnąć w ciągu 10-20 lat. Ciepło generowane przez usuwanie danych z 10-terabajtowego HDD liczone jest w milionowych częściach dżula. Jednak ilość ta sumuje się, gdy wykonujemy wielu operacji kasowania w ciągu sekundy.

Naukowcy dodali do zasady Laudauera rozważania na temat wartości kasowanego bitu. Jeśli znamy zawartość komórki pamięci, którą kasujemy, to teoretycznie możliwe jest usunięcie bitu w taki sposób, że możliwe będzie jego odtworzenie. Już wcześniej dowiedziono, że tego typu „odwracalne" kasowanie nie generuje ciepła.

W swoich rozważaniach Renner i Vedral posuwają się o krok dalej. Dowiedli oni teoretycznie, że jeśli kasowany bit jest kwantowo splątany ze stanem obserwatora, obserwator może wycofać energię cieplną z systemu w czasie usuwania bitów. A to oznacza, że kasowanie będzie chłodziło komputer.

Aby dojść do takich wniosków uczeni połączyli to, co na temat entropii mówią teoria informacji i termodynamika. W teorii informacji entropia to wynik pomiaru gęstości informacji. Dzięki niej dowiadujemy się np. jaką ilość miejsca w pamięci zajmie dana informacja po optymalnym skompresowaniu. W termodynamice entropia związana jest z nieuporządkowaniem systemu, np. rozłożeniem molekuł w gazie. Zwiększanie entropii wiąże się tutaj zwykle z dodawaniem energii w postaci ciepła.

Profesor Renner stwierdza: Wykazaliśmy, że w obu przypadkach na poziomie mechaniki kwantowej entropia opisuje to samo zjawisko. W obu przypadkach należy ją rozważać jako brak wiedzy.

Należy przy tym wziąć pod uwagę fakt, że obiekt nie ma stałej entropii, ale zależy ona od obserwatora. Jeśli zatem dwie osoby będą usuwały te same dane, ale jedna z nich będzie miała większą wiedzę o  danych, to będzie postrzegała je jako posiadające mniejszą entropię, a zatem będzie mogła użyć mniej energii do ich usunięcia.

W fizyce kwantowej entropia może czasem przybierać wartość ujemną. Na gruncie fizyki klasycznej posiadanie idealnych informacji o systemie oznacza, że obserwator uznaje, iż entropia systemu jest zerowa. Jednak splątanie daje obserwatorowi wiedzę większą niż kompletna, gdyż korelacje kwantowe są silniejsze niż klasyczne. A to prowadzi nas do wniosku, że entropia ma wartość ujemną.

Zatem na gruncie fizyki klasycznej kompletna wiedza o pamięci komputerowej pozwala usunąć informacje bez wydatkowania energii. Teraz naukowcy pokazali, że przy splątaniu kwantowym i posiadaniu informacji większej niż kompletna usuwanie danych związane jest z wycofaniem ciepła z systemu i zamianę go na użyteczną formę energii.

Renner podkreśla jednak, że nie ma mowy o stworzeniu w ten sposób perpetuum mobile. Dane usuwane są tylko raz, więc nie można z nich ciągle tworzyć energii. Ponadto ich usunięcie prowadzi do zaniku splątania kwantowego i konieczne jest dostarczenie energii, by system powrócił do stanu pierwotnego.

Działamy na granicy drugiej zasady termodynamiki. Jeśli ruszysz się o krok dalej to je złamiesz - stwierdził Vedral.

entropia komputer chłodzenie kasowanie dane