Maxwelov démon je možnou budúcnosťou kvantových počítačov

, Autor: Tlačové správy z vedy

Znížená entropia v trojrozmernej mriežke super-chladených, laserom zachytených atómov môže pomôcť urýchliť pokrok smerom k vytváraniu kvantových počítačov. Tím výskumníkov z Penn State dokáže preusporiadať štruktúru náhodne rozloženého množstva atómov do úhľadne usporiadaných blokov, čím sa vykonáva funkcia "Maxwellovho démona" - myšlienkového experimentu spred takmer 150 rokov, ktorý vyzýva platnosť druhého termodynamického zákona.

Organizované bloky atómov by mohli tvoriť základ pre kvantový počítač, ktorý používa nenabité atómy na kódovanie údajov a vykonávanie výpočtov. Článok popisujúci výskum sa objaví 6. septembra 2018 v časopise Nature.

"Tradičné počítače používajú tranzistory na zakódovanie dát ako bitov, ktoré môžu byť v jednom z dvoch stavov - nula alebo jedna," povedal David Weiss, profesor fyziky na Penn State a vedúci výskumného tímu. "Vyvíjame kvantové počítače, ktoré používajú atómy ako" kvantové bity "alebo" qubity", ktoré dokážu kódovať dáta založené na kvantovo-mechanických javoch, ktoré im umožnia byť súčasne vo viacerých stavoch. Usporiadanie atómov do uzavretej 3D mriežky nám umožňuje uložiť veľa atómov do malej oblasti a urobiť výpočet jednoduchším a efektívnejším."

Druhý zákon termodynamiky hovorí, že entropia - niekedy myslená ako porucha - systému nemôže s časom klesať. Jedným z dôsledkov tohto zákona je to, že vylučuje možnosť zostrojenia perpetum mobile (zariadenia s perpetuálnym-stálym-večným pohybom). Niekedy okolo roku 1870 James Clerk Maxwell navrhol myšlienkový experiment, v ktorom démon mohol otvoriť a zatvoriť bránu medzi dvomi plynovými komorami, umožňujúc, aby teplejšie atómy prechádzali jedným smerom a chladnejšie atómy prechádzali v druhom smere. Toto triedenie, ktoré nevyžadovalo žiadny vstup energie, by viedlo k zníženiu entropie v systéme a teplotnému rozdielu medzi obidvoma komorami, ktoré by mohli byť použité ako tepelné čerpadlo na vykonávanie práce, čím by sa porušil druhý termodynamický zákon.


Znižovanie entropie v náhodne vyplnenej mriežke 5x5x5 atómov. Každý stĺpec ukazuje záber 5 rovín mriežky. Hore sú počiatočné náhodné distribúcie atómov na 125 možných pozíciách. Druhý riadok ukazuje usporiadania po prvom preorganizovaní a tretí riadok po druhom preorganizovaní. V ten moment je cieľová podmriežka 5x5x2 kompletne zaplnená. tento proces redukuje entropiu v systéme o faktor 2.4. Credit: Weiss Laboratory, Penn State

"Neskoršie výsledky ukázali, že démon v skutočnosti druhý termodynamický zákon neporušuje a následne sa mnohí pokúsili vyvinúť experimentálne systémy, ktoré sa správajú ako démon," povedal Weiss. "Prišli niektoré úspechy vo veľmi malých mierkach, ale my sme vytvorili systém, v ktorom môžeme manipulovať s veľkým počtom atómov, organizovať ich spôsobom, ktorý znižuje entropiu systému rovnako ako démon."

Výskumníci používajú lasery na zachytávanie a chladenie atómov v trojrozmernej mriežke so 125 pozíciami usporiadanými ako kocka 5 x 5 x 5. Potom náhodne vyplnia asi polovicu pozícií v mriežke atómami. Upravením polarizácie laserových pascí môžu výskumníci presunúť atómy jednotlivo alebo v skupinách, reorganizovať náhodne rozložené atómy tak, aby alebo úplne vyplnili podmnožiny mriežky 5 x 5 x 2 alebo 4 x 4 x 3.

"Keďže atómy sú ochladené na tak nízku teplotu ako sa len dá, entropia systému je takmer úplne definovaná náhodnou konfiguráciou atómov v mriežke," povedal Weiss. "V systémoch, kde atómy nie sú super chladené, vibrácie atómov tvoria väčšinu entropie systému. V takomto systéme organizácia atómov nemá na zmenu entropie veľký vplyv, ale v našom experimente dokazujeme, že organizovanie atómov znižuje entropiu v systéme o faktor približne 2,4."

Okrem Weissa výskumný tím v Penn State zahŕňa Aishwarya Kumara, Tsung-Yao Wua a Felipe Giraldo Mejiu. Výskum bol financovaný americkou U.S. National Science Foundation.

Zdroj: news.psu.edu

 

 

Kľúčové slová
fyzika, kvantové počítače
Po kliknutí na vybrané kľúčové slovo sa vám automaticky zobrazia všetky súvisiace články na pc.sk

Nejako Vás tie "V" zblbli...
Čo je to "démoV" ?

Ako si niekto mohol preboha mysliet, ze patricny jav porusuje II. zakon? Dnes napr. mozem mat na PC uplne bezny programcek, ktory kazdy bajt na disku prepise napr. na hex(40). Pritom vieme ako binarne vyreza napr. nejake video, ked na subor F3jkou hodime binarne ocko v TotalCmd: vyzera ako totalny chaos, dokonala ukazka entropie a nahody bajtov od hex(00) po hex(FF) - pravda ak nepocitam hlavicku suboru. Znizit entropiu takeho 8-10-12 TB disku sa da za jeden den (24 hodin), t.j. prepisat kazdy z 12 000 000 000 000 bajtov na nejaku konkretnu a jednotnu hodnotu, napr. aj na tu hex(40) = dec(64) co je mimochodom zavinac z extended 8-bitovej ACSII. Entropia sa tym zdanlivo radikalne znizi a stav predtym je absolutne neporovnatelny. Jedna sa skutocne aj o entropiu vo fyzikalnom zmysle (nie len akesi myslienkove usporiadanie), kazdy jeden jediny bit na HDD je totiz reprezentovany mnohymi a mnohyyyymi tisickami atomov vo fyzikalnej realite v podobe zmagnetizovanej nano-plôšky o rozmeroch radovo niekolko desiatok nm. Navyse to cele pracuje pri izbovej teplote !!! A predsa ked kazdy jeden bajt bude hex(40) = bin(1000000), t.j. opakujuca sa osmica bitov 10000000, "nieco" sa udeje v tych zmagnetizovanych nano-plôškach aj vo fyzikalnej realite. Pre zdokonalenie mozme cely disk zapisat bajtom hex(00) = dec(000) = bin (00000000). Vtedy sa nemusimie trapit ze cely HDDako hex(40) vyzera binarne ako 10000000100000001000000010000000100000001000000010000000....", ale proste cely 12 TB HDD bude mat vsetkych 96 000 000 000 000 bitov iba same nuly (neviem ako kontrolne bity po kazdom 4 kiB = 4096 B sektore), ale nano-magnetiky vo fyzilaknej realite budu pri nasom 14 rocnmom PMR kolmom zapise smerovat bud hore ci hore (zalezi od uhla pohladu/dohody). Entropia skoro na nule ... A predsa II. zakon termodynamiky to neporusuje, predsa sa entropia vesmiru ako takeho zvysila. Totiz ak entropiu nejakeho systemu znizim (co je v zasade iba lokalna fluktuacia), tak o to viac sa entropia blizkeho okolia zvysi. Fukanie ventilatorov a virenie vzduchu, tepelne vyzarovanie pocitaca a celkovo praca pocitaca ako taka pri akejkolvek ulohe ktoru moze PC robit, zvysi entropiu viac ako ta krvopotne vynalozena praca, ktorou pocitac entropiu znizoval. Uvazovat treba naozaj vo velkych intenciach (neilen zvysovanie teploty), napr. odparovanie elektrolytu z kondenzatorov na MB, sublimacia nejakych par z MB a komponentov (ked sa do vzduchu dostane nejake ultra stopove mnozstvo olova, zlata, medi, hlinika ... ci inych 487 zlucenin pouzitych pri vyrobe) alebo sublimacia roznych epoxidov a zivic ... proste na atomarnej urovni cloveka ani len nenapadne v akom sirokom kontexte treba uvazovat ...

Analogicky pri vyrobe toho lasera (ktory na to potrebovali) sa istotne entropia celeho vesmiru neznizila :))) Analogicky pri uvahe o PC prepisujucom bajty na HDD som vobec neuvazoval o vyrobe elektriny pre ten PC. A ta vyroba elektriny tiez entropiu vesmiru asi neznizila ze ano ...

A preco je lokalne zvysenie entropie iba lokalna fluktuacia? Pretoze:
1) nemoze trvat večne
2) na jej navodenie treba energiu

K bodu 1) aj zivot na Zemi ide ZDANLIVO proti II. zakonu: predtym nic len chaosticke atomy, teraz mnohobunkove super-zlozite organizmy pozostavajuce z desiaok bilionov buniek. No naveky to asi nepotrva ze? S tymi platnami HDD by to tiez asi naveky neslo, uz po tisicke rokov by zhrdzaveli a rozpadli sa na hrdzavy prach (oxidy zeleza) a neboli by nieze bity na platniach, neboli by ani ziadne HDD platne !!! No a tisic (aj miliarda) rokov sa neda porovnavat s "naveky az do konca vesmiru".
K bodu 2) aj ked ten mnohobunkovy zlozity zivot na Zemi bude iba kratko (v porovnani s vecnostou), predsa len to nie je v rozpore s II. zakonom? Isteze nie - umoznilo to Slnko - to dodalo tie kvadriliardy joulov na to potrebnej energie, keby Slnka nebolo, nic tu nie je. Slnko okrem ineho vo svojom blizkom hviezdom okoli (radovo svetelne dni ci desiatky svetelnych dni) za tie miliardy rokov tak entropiu zvysilo, ze vznik super-zlozitych mnoho-bunkovych organizmov na jednej modrej malinkatej omrvinke je v porovnani s tym uplny prd.

Poslať nový komentár

TOPlist