Visiems gerai žinoma, kad kompiuteriai dirbdami šyla, pavyzdžiui, nešiojamieji kompiuteriai šildo kelius, o superkompiuteriai – patalpas. Fizikai teoretikai iškėlė idėją, kad kompiuteriai gali generuoti ne vien tik šilumą – tam tikromis sąlygomis gali būti stebimas ir šaldymo efektas. Su tuo susijęs tyrimas apie žinių buvimą ar jų nebuvimą. Mokslininkų atradimas buvo atspausdintas „Nature“ žurnale.
Kompiuteriams skaičiuojant sunaudota elektros energija galiausiai virsta šiluma. Tai iš esmės nėra susiję su kompiuterių konstrukcija. Fizikai kalba apie fundamentines energijos sąnaudas, susijusias su informacijos apdorojimu.
Neseniai mokslininkų grupės atliktame tyrime gautos neįtikėtinos išvados. Profesorius Renatas Reneris (Renato Renner) bei fizikas Vlatko Vedralas (Vedral), dirbantis Singapūro nacionaliniame universitete (National University of Singapore) Kvantinių technologijų centre (Centre for Quantum Technologies) bei Oksfordo universitete, kartu su kolegomis parodė, kad kompiuteryje esančių duomenų trynimas esant tam tikroms sąlygoms gali generuoti šaltį, o ne šilumą. Šaldymo efektas gali būti stebimas pasireiškus keistam kvantiniam reiškiniui – susietumui. Yra įmanoma panaudoti šį efektą superkompiuteriams vėsinti, vietoje dabar generuojamos šilumos. „Tokios kontrolės pasiekimas kvantiniame lygmenyje, kuris būtų reikalingas superkompiuteryje, yra didžiulis technologinis iššūkis, ir jis nėra neįmanomas. Mes stebime didžiulį kvantinių technologijų progresą per paskutinius dvidešimt metų,“ - pasakė Vedralas. Su dabartinėmis fizikos laboratorijų kvantinėmis technologijomis būtų įmanoma atlikti principinį eksperimentą su keliais informacijos bitais.
Fizikas Rolfas Landaueris (Rolf Landauer) dar 1961 metais apskaičiavo, kad ištrinant duomenis tam tikras energijos kiekio išsiskyrimas šilumos forma yra neišvengiamas. Landauerio principas reiškia, kad jei tam tikras aritmetinių operacijų skaičius per sekundę buvo viršytas, tai kompiuteris generuos tokį šilumos kiekį, kad jo nebus įmanoma išsklaidyti. Šių dienų superkompiuteriuose kiti šilumos šaltiniai yra labiau svarbūs, bet Reneris galvoja, kad tam tikras kritinis slenkstis, prie kurio Landauerso duomenų trynimo šiluma pasidarys svarbi, gali būti pasiektas per sekančius dešimt ar dvidešimt metų. Iš principo, dešimt terabaitų informacijos ištrynimas iš kieto disko sukuria energiją, mažesnę nei vieną milijoninę džaulio. Tačiau, jei toks trynimo procesas būtų pakartotas per sekundę daug kartų, tai šiluma atitinkamai kauptųsi.
Naujasis tyrimas performuluoja Landauerso principą atvejams, kai yra žinomos trinamų bitų reikšmės. Kai saugoma informacija yra žinoma, tai teoriškai turėtų būti įmanoma ištrinti bitus tokiu būdu, kad informacija būtų lengvai atgaminama. Anksčiau buvo parodyta, kad toks atgaminamos informacijos trynimas nekuria šilumos. Naujajame straipsnyje mokslininkai žengia dar vieną žingsnį toliau. Jie parodo, kad, jei trinami informacijos bitai yra kvantmechaniškai susieti su stebėtojo būsena, tai stebėtojas galėtų paimti sistemoje informacijos trynimo metu kuriamą šilumą. Kvantinis susietumas sujungia stebėtojo būseną su kompiuterio būsena tokiu būdu, kad yra žinoma apie saugomą informaciją daug daugiau, nei tai įmanoma klasikinėje fizikoje.
Norėdami gauti tokią išvadą mokslininkai sujungė informacijos teorijos principus su termodinamikos principais į entropijos koncepciją. Entropija skirtingai pasireiškia šiose dvejose disciplinose, kurios, iš esmės, yra viena nuo kitos nepriklausomos. Informacijos teorijoje entropija reiškia informacijos tankio matą. Ji, pavyzdžiui, aprašo kiek atminties reiktų turimam duomenų kiekiui optimaliai suspausti. Iš kitos pusės, termodinamikoje entropija susijusi su sistemos netvarka, pavyzdžiui, molekulių išsidėstymu dujose. Termodinamikoje entropijos pridėjimas, paprastai, reiškia energijos pridėjimą šilumos pavidalu.
„Mes dabar parodėme, kad abiem atvejais entropijos sąvoka iš tikrųjų aprašo tą patį dalyką – net kvantinės mechanikos atveju. - Reneris pasakė. - Kadangi abiem atvejais entropijos formulės atrodo vienodos, buvo priimta, kad yra ryšys tarp jų. Mūsų tyrimas parodo, kad abiem atvejais entropija yra susijusi su žinių apie sistemą trūkumu.“
Matuojant entropiją reikia suprasti, kad objektas neturi tam tikro entropijos kiekio. Iš tikrųjų, objekto entropija yra visada susijusi su stebėtoju. Pritaikius šią mintį informacijos trynimo pavyzdžiui, galima padaryti išvadą, kad, jei du individai trina saugomos informacijos duomenis, tačiau vienas iš jų žino daugiau apie trinamus duomenis, tai entropija antru atveju atveju yra mažesnė. Vadinasi ir duomenų ištrynimui bus sunaudota mažiau energijos. Entropija kvantinėje fizikoje turi nepaprastą savybę. Ji gali būti neigiama skaičiuojant informacijos teorijos atžvilgiu. Idealus sistemos būsenos žinojimas reiškia, kad sistema stebėtojo atžvilgiu turi nulinę entropiją. Tai reiškia, kad stebėtojo ir sistemos būsenos yra idealiai koreliuotos, tai yra kiek maksimaliai leidžia klasikinė fizika. Susietumas suteikia stebėtojui pilną supratimą, nes kvantinės koreliacijos yra žymiai stipresnės nei klasikinės koreliacijos. O tai reiškia, kad entropija yra mažesnė už nulį. Iki šiol fizikai teoretikai naudojo neigiamą entropiją skaičiavimuose. Ką tai gali reikšti termodinamikos atveju ar eksperimentiniuose matavimuose?
Teoriškai duomenų trynimui nereikia energijos, kai kompiuterio atmintis yra žinoma klasikiniu idealiu atveju (nulinė entropija). Mokslininkai parodo, kad pilnas žinojimas kvantinio susietumo atveju veda prie duomenų trynimo kartu su šilumos atėmimu iš kompiuterio bei tos šilumos naudingu panaudojimu. Tokia yra fizikinė neigiamos entropijos reikšmė.
Tačiau Reneris pabrėžia, kad tai reiškia, jog mes galime sukurti nenaudojančią energijos mašiną. Duomenys gali būti ištrinti tik kartą. Todėl neįmanoma generuoti energiją pastoviai. Šis procesas taip pat sunaikina buvusį kvantinį susietumą. Reikalinga pradinė energija, kuri vėl pakrautų sistemą į pradinę būseną. Šios lygtys atitinka antrą termodinamikos dėsnį – Visatos entropija niekada nemažėja. „Mes savo tyrime priartėjome prie antro termodinamikos dėsnio ribos. Bet koks žingsnis toliau pažeistų šį dėsnį“, - pasakė Vedralas.
Mokslininkų atradimai, susiję su entropija termodinamikoje ir informacijos teorijoje, gali būti panaudoti tiriant šilumos energijos kiekio išsiskyrimą kompiuteriuose. Pavyzdžiui, informacijos teorijos rėmuose išvystyti entropijos valdymo metodai gali būtu pritaikyti ir termodinamikoje. Ryšys tarp dviejų entropijos koncepcijų yra fundamentalus.
