вторник

Энтропия, квантовые знания и охлаждение компьютера

Многие компьютерные пользователи хорошо знают, что работающий компьютер выделяет много тепла. В пасмурную погоду включенный ноутбук приятно согревает колени, а суперкомпьютером или сервером можно   отапливать помещение.

Около пяти лет назад физики-теоретики обнаружили еще одно удивительное свойство компьютера. Электронные вычислительные процессы иногда могут не только вырабатывать тепло, но и при определенных условиях иметь эффект охлаждения. Хотя результаты этого открытия были официально опубликованы, в их основе лежат фундаментальные соображения, касающиеся как знаний, так и недостатка знаний о предмете. Но все по порядку.

В июне 2011 года в британском общенаучном журнале "Природа" (Nature) был опубликован отчет об исследовании, проведенном группой физиков из разных стран. В группу входили профессор Ренато Реннер (Professor Renato Renner) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, Владко Ведрал (Vlatko Vedral) из Центра квантовых технологий в Национальном университете Сингапура и Оксфордского университета (Великобритания), а также их коллеги. Эти физики рассказали на страницах журнала, что при определенных условиях удаление данных из ОС компьютера может создать охлаждающий эффект вместо генерации тепла. Это происходит в тех случаях, когда возникает квантовая запутанность или квантовое явление странной взаимной связи двух и более объектов.

Пока ученые изучают теоретическую возможность использования этого эффекта для охлаждения суперкомпьютеров, так как повышение их производительности напрямую ограничивается большим количеством выделяемого компьютерами тепла. По словам Ведрал, за последние 20 лет квантовая технология достигла огромного прогресса и хотя осуществление контроля на квантовом уровне пока еще представляет собой огромный технологический вызов, он уже не может быть невозможным.

Квантовый поворот и принцип Ландауэра

В 1961 году американо-немецкий физик Рольф Ландауэр (Rolf Landauer) расчитал, что некоторое высвобождение энергии в виде тепла является неизбежным во время удаления данных. Принцип Ландауэра означает, что при повышении определенного количества арифметических операций в секунду, компьютер будет производить столько тепла, что тепло невозможно будет рассеять.

Сегодня в суперкомпьютерах играют более значимую роль другие источники тепла, но Реннер считает, что критический порог, когда стирание тепла Ландауэра займет важное место, может быть достигнут в течение ближайших 10 - 20 лет. Пока тепловыделение от удаления десяти терабайтов информации на жестком диске составляет меньше, чем одну миллионную часть Джоуля. Однако, если такой процесс удаления будет повторяться много раз в секунду, то тепло будет накапливаться соответственно.

Новое исследование пересмотрит принцип Лндауэра для случаев, когда заранее известно значение данных, подлежащих удалению. Когда содержание памяти известно, должна существовать возможность удаления битов информации таким образом, чтобы пересоздать их. Предыдущие исследования показали, что такое обратимое удаление не будет генерировать тепло. В новом исследовании ученые пошли еще дальше и показали, что когда подлежащие удалению биты данных находятся в квантово-механической запутанности с состоянием наблюдателя, то наблюдатель может даже уводить тепло из системы при удалении информации. Эта запутанность связывает состояние наблюдателя с компьютером таким образом, что эти связи знают о памяти больше, чем это возможно в классической физике.

Смежные дисциплины

Для достижения указанного результата ученым приходится сочетать идеи из теории информации и термодинамики о мере неупорядоченности системы, известной как энтропия. Эти две научные области далеко удалены друг от друга и энтропия проявляется в них по-разному.

В теории информации энтропия является мерой плотности информации и описывает, например, какой объем памяти будет иметь данный набор данных при оптимальном сжатии информации.

В термодинамике энтропия относится к расстройствам в системах, например в расположении молекул в газе. В термодинамике увеличение энтропии в системе, как правило, эквивалентно добавлению энергии в виде тепла.

По словам физика Реннера, их исследование показало, что в обоих случаях термин энтропия описывает одно и тоже, даже в квантово-механическом режиме. Формулы двух видов энтропии выглядят одинаково и это предполагает существовании связи между ними. По мнению ученого, исследование показывает, что в обоих случаях энтропия считается типом недостатка знаний.

Согласно пояснениям ученого-физика, при измерении энтропии следует иметь в виду, что объект не имеет определенного количества энтропии как таковой, а энтропия объекта всегда зависит от наблюдателя. Применительно к примеру удаления данных это означает, что если два человека удаляют данные в памяти и один имеет больше знаний об этих данных, его восприятие памяти будет иметь более низкую энтропию, поэтому этот человек сможет удалить память, используя меньше энергии.

Энтропия в квантовой физике имеет необычное свойство иногда иметь отрицательную величину, когда расчитывается по теории информационной точки зрения. Идеальное классическое знание системы означает, что наблюдатель воспринимает ее, чтобы иметь нулевую энтропию. Это соответствует памяти наблюдателя и прекрасно коррелируется с рассматриваемой системой в классической физике. Квантовая запутанность дает наблюдателю "более полное знание", потому что квантовые корреляции сильнее, чем классические корреляции. Это приводит к энтропии меньше нуля. До сих пор физики-теоретики не использовали эту отрицательную энтропию в вычислениях, не понимая, что это может означать в терминах термодинамики или экспериментально.

Отсутствие тепла или охлаждающий эффект

Теоретически в случае идеального классического знания о памяти компьютера (нулевой энтропии), удаление данных не потребует никакой энергии вообще. Исследователи доказывают в своей работе, что "более полное знание" о квантовой запутанности с памятью (отрицательная энтропия) приводит к удалению данных с одновременным отводом тепла от компьютера и его освобождением как полезной энергии. Это физический смысл отрицательной энтропии.

Как подчеркнул Реннер, это не означает, что они могут разработать вечный двигатель. Данные памяти могут быть удалены только один раз, поэтому нет никакой возможности продолжать генерировать энергию таким способом. Также, процесс разрушает запутанность и вводит энергию для сброса компьютерной системы в исходное состояние. Уравнения согласуются с тем, что известно как второй закон термодинамики: идея, что энтропия Вселенной никогда не может уменьшаться.

Основные результаты

Новые результаты ученых касаются энтропии в термодинамике и теории информации и могут иметь полезность при расчете тепловой продуктивности компьютеров. Например, методы, разработанные в рамках теории информации для обработки энтропии могут привести к инновациям в термодинамике. Соединение между этими двумя понятиями энтропии является основополагающим.

Ссылки

Этот обзор составлен на основе материалов пресс-релиза Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Эти материалы могли быть изменены при переводе для содержания и длины текста. За дополнительной информацией обращаться к первоисточнику.

Quantum Knowledge Cools Computers
http://www.ethlife.ethz.ch/archive_articles/110601_Naturepaper_Renner_su/index_EN