محققان ترینیتی (Trinity) یک اثر کوانتومی منحصر بفرد در پاک کردن اطلاعات کشف کرده‌اند که می‌تواند پیامدهای مهمی برای طراحی تراشه‌های محاسبات کوانتومی داشته باشد. کشف شگفت‌انگیز آن‌ها تناقض شیطانک ماکسول را زنده می‌کند که فیزیکدانان را به مدت بیش از ۱۵۰ سال عذاب داده است. با دیپ لوک همراه باشید…
ترمودینامیک محاسباتی در سال ۱۹۶۱ مطرح شد، زمانی که رولف لانداور (Rolf Landauer) رابطه بین اتلاف گرما و عملیات به لحاظ منطقی برگشت‌ناپذیر را کشف کرد. لانداور که بخاطر اطلاعات فیزیکی شناخته شده است، به ما یادآوری می‌کند که اطلاعات انتزاعی نیستند و بر روی سخت افزار فیزیکی رمزگذاری می‌شوند. بیت، واحد اطلاعات است (می‌تواند صفر یا یک باشد) و لانداور کشف کرد که وقتی یک بیت پاک می‌شود، یک کمینه‌ی گرمای آزادشده وجود دارد که بعنوان مرز لانداور شناخته می‌شود و پیوند قطعی بین نظریه اطلاعات و ترمودینامیک است.
پروفسور جان گولد رهبر گروه QuSys در ترینیتی در حال بررسی این موضوع با در نظر گرفتن محاسبات کوانتومی است که در آن یک بیت کوانتومی (یک کیوبیت که می‌تواند همزمان صفر و یک باشد) پاک می‌شود. او و همکارانش در کار تازه منتشر شده در مجله Physical Review Letters کشف کردند که ماهیت کوانتومی اطلاعاتی که باید پاک شود می‌تواند منجر به انحراف زیادی در اتلاف گرما شود که در پاک کردن بیت معمولی وجود ندارد.
صد سال قبل از کشف لانداور افرادی مانند دانشمند اتریشی، لودویگ بولتزمن (Ludwig Boltzmann) و فیزیکدان اسکاتلندی، جیمز کلرک مکسول (James Clerk Maxwell) نظریه جنبشی گازها را تدوین کردند که ایده قدیمی یونان باستان یعنی درنظر گرفتن ماده‌ی ساخته شده از اتم را زنده می‌کرد و ترمودینامیک ماکروسکوپی را از دینامیک میکروسکوپی استخراج می‌نمود. پروفسور گولد بیان می‌کند:
مکانیک آماری به ما می‌گوید که مواردی مانند فشار و دما و حتی خود قوانین ترمودینامیک را می‌توان با رفتار متوسط اجزای اتمی ماده درک کرد. قانون دوم ترمودینامیک مربوط به چیزی بنام انتروپی است که بطور خلاصه، معیار سنجش یک بی‌نظمی در یک فرآیند است. قانون دوم به ما می‌گوید که در صورت عدم مداخله خارجی، تمام فرآیندهای جهان به طورمتوسط تمایل دارند تا انتروپی خود را افزایش دهند و به وضعیتی برسند که به تعادل گرمایی معروف است. این قانون به ما می‌گوید دو گاز در صورت مخلوط شدن در دمای مختلف، به حالت تعادل جدیدی در دمای متوسط آن دو می‌رسند. این قانون نهایی است؛ به این معنا که هر سیستم دینامیکی در معرض آن قرار می‌گیرد. هیچ راه گریزی نیست: همه چیز به تعادل می‌رسد، حتی شما!
با این حال، پدران بنیانگذار مکانیک آماری در تلاش بودند تا مشکلات قانون دوم را از همان ابتدای نظریه جنبشی پیدا کنند. دوباره مثالی از گاز در حالت تعادل را در نظر بگیرید. ماکسول یک موجود کوچک فرضی را تصور کرد که توانایی ردیابی و مرتب‌سازی ذرات یک گاز را بر اساس سرعت آن‌ها دارد.
شیطانک ماکسول می‌توانست درب میانی یک جعبه حاوی گاز را به سرعت باز و بسته کند و ذرات داغ را به یک طرف جعبه منتقل کند، اما ذرات سرد را به طرف دیگر محدود کند. بنظر می‌رسد این سناریو با قانون دوم ترمودینامیک مغایرت داشته باشد، زیرا به نظر می رسد انتروپی کلی کاهش می‌یابد و شاید معروف‌ترین پارادوکس فیزیک متولد شد. اما کشف لانداور درباره براورد کردن اتلاف گرما برای پاک کردن اطلاعات چه می‌شود؟ خب ۲۰ سال طول کشید تا این کشف کاملاً مورد استقبال قرار گرفت و پارادوکس حل شد.
کارهای لانداور به چارلی بنت (Charlie Bennett) در IBM انگیزه داد تا ایده محاسبات برگشت پذیر را بررسی کند. در سال ۱۹۸۲ بنت استدلال کرد که شیطانک باید یک حافظه داشته باشد و این اندازه‌گیری نیست که قانون دوم ترمودینامیک را به این پارادوکس برمی‌گرداند، بلکه پاک کردن اطلاعات در حافظه شیطانک است؛ در نتیجه ترمودینامیک محاسباتی متولد شد.
اکنون با گذشت ۴۰ سال، پژوهش جدیدی به رهبری گروه پروفسور گولد درباره‌ی ترمودینامیک محاسبات کوانتومی، مورد توجه قرار می گیرد. در مقاله اخیر که با همکاری هری میلر (Harry Miller) در دانشگاه منچستر و دو دانشجوی دکترا در گروه QuSys در ترینیتی، مارک میچینسون (Mark Mitchison) و جیوکامو گوارنیری (Giacomo Guarnieri) منتشر شده، محققان با دقت بسیار زیادی یک فرایند پاک کردن واقع‌گرایانه تجربی را مطالعه می‌کنند که برهم نهی کوانتومی را امکان‌پذیر می‌کند. پروفسور گولد توضیح می دهد:
در واقعیت، کامپیوترها به دور از مرز لانداور برای اتلاف گرما کار می‌کنند، زیرا سیستم‌های کاملی نیستند. با این حال هنوز هم مهم است که در مورد این مرز فکر کنیم؛ زیرا هرچه کوچک سازی اجزای محاسبات ادامه یابد، این مرز نزدیک‌تر می‌شود. این موضوع برای دستگاه‌های محاسبات کوانتومی بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. شگفت‌انگیز آنکه شما با فناوری این روزها می‌توانید واقعا پاک کردن را تا نزدیکی این حد، مطالعه کنید.
اگر بپرسیم این ویژگی بارز کوانتومی چه تفاوتی برای قوانین پاک کردن ایجاد می‌کند؟ جواب چیزی خواهد بود که انتظار آن را نداشتیم. ما دریافتیم که حتی در یک پروتکل پاک کردن ایده‌آل (به دلیل برهم نهی کوانتومی) اتفاقات بسیار نادری رخ خواهند داد که گرما را بسیار بیشتر از حد لانداور پراکنده می‌کنند. ما در این مقاله از نظر ریاضی ثابت می‌کنیم که این وقایع وجود دارند و یک ویژگی منحصر بفرد کوانتومی هستند. این یک یافته بسیار غیرمعمول است که می تواند برای مدیریت گرما در تراشه‌های کوانتومی آینده بسیار مهم باشد. اگرچه کارهای بیشتری باید انجام شود، به ویژه در تحلیل عملیات سریع‌تر و ترمودینامیک سایر پیاده‌سازی‌های گیت. شیطانک ماکسول حتی در سال ۲۰۲۰، همچنان سوالات اساسی در مورد قوانین طبیعت ایجاد می‌کند.
