Termodinamika: Igra gubitka i budućnost računalstva
Termodinamika je složen sustav koji se čini kao igra gubitka. Bez obzira na to što učinili, nijedan sustav ne može raditi bez gubitka energije. Jedan od najpoznatijih paradoksa ovog područja, poznat kao “Maxwellov demon”, simbolizira borbu protiv strogih pravila fizike. No, čini se da ovaj demon predstavlja izazov i za budućnost računalstva.
Razumijevanje Maxwellovog demona
U 1867. godini, fizičar James Clerk Maxwell razmišljao je o tome kako bi se drugi zakon termodinamike mogao prekršiti. U svom misaonom eksperimentu, zamišljao je biće poznato kao “demon” koje nadgleda dva spremnika punih zraka različitih temperatura. Kada su ti spremnici povezani i izolirani od ostatka svemira, na kraju bi postigli ravnotežu i imali istu temperaturu.
Kako demon djeluje?
- Demon može otvarati i zatvarati put između dvaju spremnika.
- Njegov izuzetno oštar smještaj omogućuje mu da razdvaja molekule prema njihovoj energiji.
- Otvaranjem vrata, demon može spriječiti sustav da dosegne ravnotežu, čime krši zakone termodinamike.
Kako smo dublje razmatrali ovu ideju, shvatili smo da demon više nalikuje stroju nego mističnom biću. U 20. stoljeću, otkriveno je da informacija mora slijediti zakone termodinamike. Ovo otkriće ima važan značaj za današnje računalo, jer ona neprestano manipulira informacijama.
Fizikalne konotacije informacije
Informacija nije samo apstraktna; ona ima fizičko značenje. Kada se manipulira informacijom, dolazi do termodinamičkih učinaka. Na primjer, brisanje informacije oslobađa toplinu. Naš demon ne mora pamtiti sve čestice u sustavu, već samo one određene energije koje se približavaju vratima. Kada prođu, demon ih može zaboraviti, a ta jednostavna radnja zaboravljanja oslobađa toplinu.
Landauerova granica
Oslobađanje topline uslijed brisanja informacija poznato je kao Landauerova granica. Iako naši računala, pametni telefoni i tableti još nisu dovoljno razvijeni da bi bili pogođeni tim problemom, očekuje se da će se to promijeniti do 2050. godine zbog napretka u računalstvu.
Izazovi kvantnog računalstva
Iako se očekuje da će kvantno računalstvo riješiti ograničenja klasičnog računalstva, novo istraživanje objavljeno u Physical Review Letters otkriva da dosezi Maxwella demona nadilaze očekivanja. Istraživači s Trinity College Dublin otkrili su da je, zbog osobitosti kvantne mehanike, moguće da čak i kada se stvori idealno kvantno računalo, toplina oslobođena brisanjem informacija može biti znatno veća od Landauerove granice.
Iznenađujuća otkrića
Senior autor, profesor John Goold, izjavio je: “Pitali smo se: ‘Kakva razlika proizlazi iz ove specifične kvantne osobine za protokol brisanja?’ Odgovor je bio nešto što nismo očekivali. Otkrili smo da čak i u idealnom protokolu brisanja – zbog kvantne superpozicije – dolazi do vrlo rijetkih događaja koji oslobađaju značajnu toplinu.”
Zaključak: Budućnost ispred nas
Činjenica je da se suočavamo s novim izazovima u upravljanju toplinom na kvantnim čipovima. Kako bismo odgovorili na pitanje mogu li sljedeće generacije znanstvenika “prevariti” demona dovoljno dugo da bismo riješili ovaj nadolazeći problem? Samo vrijeme će pokazati.
