來(lái)源： 科技日報 作者： 常麗君

    最新一期《自然》雜志上的一項研究：在特定情況下，計算過(guò)程不僅不會(huì )發(fā)熱，甚至還會(huì )制冷。

    第三只眼 

    本報記者 常麗君 綜合外電

    計算機工作時(shí)，它們消耗的能量最終變成了熱。從放置膝蓋的便攜電腦到屋子里的超大計算機，人們都能感到它們在散熱。這些熱并非全都由硬件的運作所產(chǎn)生，處理信息也要耗費能量而發(fā)熱。但令人驚訝的是，理論物理學(xué)家最近發(fā)現，在特定情況下，計算過(guò)程不僅不會(huì )發(fā)熱，甚至還會(huì )制冷。他們的研究發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

    刪除信息或能制冷

    最近，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授雷納托•雷內和新加坡國立大學(xué)與英國牛津大學(xué)量子技術(shù)中心韋拉科•維德羅共同進(jìn)行了一項研究，證明了在量子糾纏狀態(tài)下刪除數據，反而會(huì )出現致冷效果。利用這一點(diǎn)，有望給超大計算機的運轉發(fā)熱降溫。

    “雖然我們能在量子水平實(shí)現這種控制，但在超大計算機上能否實(shí)現還是個(gè)巨大挑戰，但也并非不可能，過(guò)去20年里量子技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。”維德羅表示，根據目前量子物理實(shí)驗室的技術(shù)，用幾個(gè)比特的數據進(jìn)行理論性證明的實(shí)驗還是可能的。

    量子糾纏扭曲蘭道爾原理

    物理學(xué)家羅爾夫•蘭道爾在1961年計算出，在刪除信息過(guò)程中要消耗能量，并以熱的形式釋放出來(lái)。而計算機每秒鐘要進(jìn)行大量的數學(xué)運算，按蘭道爾原理意味著(zhù)將產(chǎn)生大量的熱。雖然在目前的超大計算機中，硬件運轉產(chǎn)生的熱量太過(guò)明顯掩蓋了這種蘭道爾“刪除熱”，但雷內認為，在下個(gè)10年到20年，“刪除熱”將變得更關(guān)鍵。理論上講，刪除10兆兆數據產(chǎn)生的熱量還不到1焦耳，但如果每秒都要大量地重復這一刪除過(guò)程的話(huà)，熱量就會(huì )逐漸積累起來(lái)。  

    如果要刪除的比特值是已知的，也就是說(shuō)當存儲的內容是已知的，就是以一種理論上能再生的方式來(lái)刪除這些數據內容，按照蘭道爾原理這是可能的。而此前有研究證明這種可逆刪除不會(huì )產(chǎn)生熱。  

    更進(jìn)一步考慮，當要刪除的數據內容和觀(guān)察者處于量子糾纏的狀態(tài)，那么觀(guān)察者在刪除這些數據時(shí)，就能從系統中吸收熱量。量子糾纏將觀(guān)察者的狀態(tài)和計算機的狀態(tài)聯(lián)在了一起。在這種方式下，他們知道的存儲內容比在經(jīng)典物理學(xué)中更多。

    兩門(mén)學(xué)科“熵”相通

    在很大范圍上，“熵”的含義在“信息論”和“熱力學(xué)”兩門(mén)學(xué)科中互相獨立。在信息論中，熵用來(lái)衡量信息密度的平均信息量，比如可以用它來(lái)描述一條數據經(jīng)最佳壓縮后所占的存儲容量。而在熱力學(xué)中，熵描述了系統的混亂程度，如氣體中的分子排列，熵值增加相當于熱能增加。  

    雷內說(shuō)：“而我們同時(shí)面對著(zhù)這兩種情況。即在量子力學(xué)的理論框架下，熵的概念同時(shí)描述了這二者?？雌饋?lái)兩個(gè)熵的公式是一樣的，人們也假定它們之間有關(guān)聯(lián)。按照我們的研究，在兩種情況下，熵可以看作是一種相對的‘知識貧乏’態(tài)。在測量這種熵的時(shí)候要秉承一個(gè)宗旨，即物體本身從本質(zhì)上說(shuō)并沒(méi)有一定數量的熵，物體的熵總是依賴(lài)于觀(guān)察者。”  

    還以刪除數據為例，如果兩個(gè)人分別刪除一個(gè)內存中的數據，其中一人對這些數據知道的更多，她會(huì )覺(jué)得這個(gè)內存的熵更低，刪除該內存所用的能量更少。在經(jīng)典物理中，一個(gè)系統的理想狀態(tài)是觀(guān)察者認為它的熵是零，這表示觀(guān)察者記憶的內容和系統內存中的內容完全一致，這才符合經(jīng)典物理學(xué)。由于量子相關(guān)比經(jīng)典相關(guān)更強，在量子糾纏中給了觀(guān)察者多于整體系統的更多知識，導致了熵值小于零。

    不發(fā)會(huì )熱反能制冷

    熵在量子物理學(xué)中有著(zhù)不尋常的性質(zhì)。但從信息論角度來(lái)計算時(shí)，人們往往忽略了這一點(diǎn)。雖然理論物理學(xué)家在計算中已經(jīng)使用了負熵，卻并不理解它在熱力學(xué)中或實(shí)驗中的含義。  

   在經(jīng)典物理的例子中，計算機內存是零熵，刪除數據在理論上根本不需要耗能。而在量子糾纏和記憶（負熵）造成的“多出知識”，導致在刪除數據的過(guò)程中，伴隨著(zhù)從計算機中清除了它因耗能而釋放的熱量。這正是負熵的物理含義。

    盡管如此，“這并不意味著(zhù)我們能開(kāi)發(fā)出一種永動(dòng)機”。雷內強調，數據只能被刪除一次，所以不可能持續產(chǎn)生能量。而這一過(guò)程也破壞了糾纏，會(huì )帶來(lái)能量輸入將系統重置為初始狀態(tài)。這并沒(méi)有違背熱力學(xué)第二定律，也就是說(shuō)宇宙中的熵不會(huì )減少（不可逆熱力過(guò)程中熵的微增量總是大于零）。“我們正處在第二定律的邊緣，如果你再進(jìn)一步，就會(huì )打破它。” 維德羅說(shuō)。  

    熵的概念在熱力學(xué)和信息論中雖不相同，卻基本相通。它的用途遠不止于計算電腦的發(fā)熱量。比如，人們在信息論中處理熵的方法，很可能導致熱力學(xué)的革新。

    (科技日報)

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