Столь странный метод отвода тепла может работать в машинах с памятью на основе квантовых ячеек. Пока это только теория, выведенная на кончике пера, но с приближением квантовых вычислительных систем ближе к практике она может оказаться востребованной.

Учёные из швейцарского федерального технологического института (ETH Zürich) и их коллеги из Великобритании и Сингапура утверждают, что состояние квантовой сцепленности множества ячеек памяти в компьютерах будущего способно сыграть любопытную роль не только в вычислительных способностях машины, но и в её физических свойствах, а именно — в механизме отвода тепла.

Оказывается, принцип Ландауэра, гласящий — «в любой вычислительной системе, независимо от её физической реализации, при потере одного бита информации выделяется теплота» — не обязательно работает, когда мы имеем дело с квантовой схемой.

В своей статье в Nature авторы исследования объясняют, что величина работы по стиранию памяти, определяемая энтропией системы, обусловлена информацией о квантовой памяти, которой владеет наблюдатель.

Рассмотрим двух людей, которые пытаются стереть строку битов в памяти компьютера, — объясняет New Scientist логику авторов работы. Один из людей не знает значения хранящихся битов, поэтому для гарантированного их стирания, он всегда должен сбрасывать их на «0», независимо от первоначального значения ячейки. Второй человек, знает содержание строки и ему достаточно сбросить только те биты, которые были равны 1. Получается, первый человек должен проделать большую работу, чем второй.

Ситуация становится ещё более интересной, если мы имеем дело не с классической, а с квантовой системой. В ней биты памяти, которые должны быть стёрты, запутаны с другими ячейками. В такой системе наблюдение состояния одной части памяти немедленно определяет состояние другой.

Так наблюдатель, который имеет доступ к квантово запутанным объектам, может знать о памяти больше, чем возможно в классическом случае. А потому в момент стирания памяти условная энтропия падает сильнее и становится отрицательной. Учёные показали, что эта отрицательная энтропия эквивалентна извлечению тепла из окружающей среды, иначе говоря — охлаждению системы.

Принцип Ландауэра определяет теоретический минимум тепла, производимого идеальной вычислительной машиной. Для сегодняшних компьютеров, неэффективных в плане расхода энергии, он имеет чисто академическое значение, ведь тепловыделение реальных схем оказывается намного больше рассчитанного «по Ландауэру».

Но для квантовых компьютеров, работающих при криогенных температурах, процессы переноса энергии, обусловленные изменением энтропии системы, могут играть ведущую роль. Потому, представляется, изящный метод обхода принципа Ландауэра может быть важным фактором, который позволит квантовым системам нормально работать.