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因为遗忘,麦克斯韦妖不可能存在
消失的信息,实际上也在向外散发热量

消失的信息,实际上也在向外散发热量

麦克斯韦妖(Maxwell's demon),是一个假想出来的妖精,它能探测并控制单个分子的运动,于1871年由英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。现在,物理学家证明了,遗忘(forgetting )彻底粉碎了麦克斯韦妖存在的可能性。

遗忘是需要消耗能量的。德国奥格斯堡大学的鲁兹(Eric Lutz)和他的同事,根据实验结果发现,信息的消除具体需要多么小的能量。自然杂志3月7日刊登了该实验结果。

1961年,IBM物理学家罗夫·兰道尔(Rolf Landauer)证明,重置1比特的信息都会释放出热量,也就是说,将计算机中的一个二进制比特位置零,不管初始值为1或0,都会释放出极少的热量,该能量大小即为兰道尔的阈值,与环境温度成比例。

鲁兹解释说,删除信息将两种可能状态压缩为一种状态,正是这种信息压缩导致热量散发。现在看来,他的研究证明了兰道尔的理论确实是正确的。近半个世纪以来,兰道尔的理论一直饱受那些理论家的诟病,但这篇论文为该理论首次提供了实验例证。

为了检验该理论,研究人员构造了一个简单的包含两个状态的单比特:用显微镜观测,激光束构造“光陷阱”困住小硅球,该“陷阱”有两个可容纳小球的凹点,分别表示状态1和0,中间有一道由能量做成的“山峰”将两个凹处隔开。当能量峰不太高时,硅球可以在这俩个状态间跳跃切换。研究人员通过调节激光功率大小来控制能量峰的高度,轻微的移动包含着小硅球的凹点,使其离开激光的焦点,倾斜其中一个凹点,使得硅球从一个凹点进入另外的凹点,完成状态切换。

研究人员通过观察硅球在一个状态转换和重置比特位的周期里的位置和移动速度,计算出散发能量具体的数值。兰德尔的阈值只适用与比特重置进行无限慢的情况,而鲁兹和同事发现,当他们用更长的转换周期时,能量散发量会越小,并逐渐趋于稳定,平衡等同于兰德尔所预计的量值。

麦克斯韦妖工作成果图

麦克斯韦妖工作成果图

十九世纪,苏格兰科学家,麦克斯韦(James Clerk Maxwell)提出了一个似乎是违背了热力学第二定律的方案,在气体中,温度高的分子比温度低的分子移动速度更快,麦克斯韦假想出一种微观智能体,后人称之为“麦克斯韦妖”,这个妖精掌管着一扇门,门的一边是高温分子,另一边是低温分子,魔鬼将两边隔离开,并且阻止热量散发和熵增加的趋势。

兰德尔的实验,为麦克斯韦妖不能实现首次给出了个令人信服的理由。“魔鬼”需要擦除(或者可以说“遗忘”)过去每次操作先要选择哪个分子的信息,这样的信息擦除会释放出热量,并增加了熵,熵的增量比恶魔为了平衡熵而失去的量还多。

兰德尔的实验,蕴含着一个更贴近现实的结论,就是消除1比特散发出热量的限度到底有多么少,累积起来,一台电脑进行比特运算能散发多少热量。鲁兹说,计算机芯片的散热问题是阻碍计算机微型化的一大主要问题。这样的能量损耗正变得越来越少,并在几十年后接近兰德尔所给的阈值。实验清楚明白的告诉我们,能量损耗再低也不能比兰德尔的阈值还低,很快,工程师们都得面临这一点了。

与此同时,美国昆腾公司利用量子物理学原理,新开发出的量子计算机,获得更强劲的处理能力,并且已经快达到阈值。麻省理工学院的物理学家劳埃德(Seth Lloyd)称,量子计算机的逻辑运算处理已经进入到了兰德尔理论的范围中,很担心兰德尔的阈值什么时候将可能真正成为障碍。


信息来源: nature

The End

发布于2012-03-14, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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宅大大王

计算机应用技术硕士

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