Експериментът успява да измери за пръв път разсейваната енергия чрез изтриване на един бит информация. Резултатът потвърждава принципа на Ландауер, предложен през 1961 г.

В термодинамиката ентропията S се явява като количество, свързано с количеството енергия, което термодинамичната система не може да използва, за да свърши полезна работа. От друга страна, в теорията на информацията се дефинира величина Н, наричана още „ентропия“, която измерва степента на непредсказуемост на случайна променлива и която зависи само от нещо толкова абстрактно, колкото количеството информация, която споменатата променлива може да кодира. По-специално, Н няма нищо общо с никоя физическа система или с някакъв физически закон. Ако обаче двете величини получават едно и също име, това е така, защото, когато се прибягва до статистическата формулировка на термодинамиката, S и H приемат един и същ формален израз.

Физиците винаги са смятали, че тази еквивалентност трябва да предполага някаква дълбока връзка между двете концепции. Експеримент, публикуван в списание Nature миналата седмица, успя за първи път да измери топлината, разсеяна в процеса на изтриване на информацията, съдържаща се в един бит. Резултатите потвърждават дълбоката връзка между термодинамиката и информацията, в допълнение към демонстрирането на физическите граници, присъщи на всеки необратим изчислителен процес.

информация

  • Гробът на Лудвиг Болцман във Виенския университет. Болцман разработи статистическата формулировка на термодинамиката и откри връзката между ентропията и броя на микостатите в системата, едно от най-важните уравнения на всички времена (DADEROT/WIKIMEDIA COMMONS, CC-BY-SA 3.0).

През 1961 г. Ролф Ландауер постулира, че самото изтриване на информация от физическа система трябва да разсейва минимално количество енергия в околната среда. Нека разгледаме малко, което с еднаква вероятност може да бъде в състояние 0 или 1. Теорията на информацията ни казва, че ентропията на тази система е равна на логаритъма на броя на възможните състояния (в случая две): H = ln 2. Сега да предположим, че ние прилагаме операция "изтриване", която поставя бита в състояние 1 независимо от първоначалното му състояние. След изтриването ентропията на системата ще бъде H = ln 1 = 0 (тъй като има само едно възможно крайно състояние, 1). Сега, ако приемем, че S = H, вторият принцип на термодинамиката ни казва, че това намаляване на ентропията може да се осъществи само ако е придружено от излъчване на топлина в средата не по-малко от Q = kT ln 2, където k е константата на Boltzmann и T е температурата на системата. Това трябва да е така, независимо от физическата система, която представлява бита.

Това беше феноменът, който А. Берут от Ecole Normale Supérieure de France и сътрудниците могат да проверят в експеримента си. Неговото парче се състоеше от малка стъклена частица, потопена в масло. Лазер създаде двоен оптичен капан с два потенциални минимума, които принудиха частицата да бъде вляво (0) или вдясно (1). Процесът на изтриване се състоеше в намаляване на интензитета на лазера, накланяне на контейнера надясно с помощта на малък пиезоелектрически двигател и повишаване на потенциалната бариера между двете места: система, идентична на първоначалната, но която гарантира, че частицата намерен в състояние 1.

Изследователите постигнаха, че времето на термодинамичния цикъл е много по-голямо от времето на релаксация на системата, образувана от окачената частица, с която те успяват да работят по всяко време с квазистатична система, към която могат да приложат втория принцип на термодинамиката. При границата на много бавен цикъл авторите измерват, че количеството топлина, отделяно в околната среда, е асимптотично близко до границата на Ландауер: Q = kT ln 2.