(Phys.org)—Il y a quelques années, les physiciens ont montré qu'il est possible d'effacer des informations sans utiliser d'énergie, contrairement à l'hypothèse à l'époque que l'effacement des informations doit nécessiter de l'énergie. Au lieu, les scientifiques ont montré que le coût de l'effacement pouvait être payé en termes de quantité physique arbitraire telle que le moment angulaire de spin, ce qui suggère que l'énergie thermique n'est pas la seule quantité conservée en thermodynamique.

En approfondissant cette idée, les physiciens Toshio Croucher, Salil Bedkihal, et Joan A. Vaccaro au Center for Quantum Dynamics, Université Griffith, Brisbane, Queensland, Australie, ont maintenant découvert des résultats intéressants sur les minuscules fluctuations du coût de rotation de l'effacement des informations. Les travaux pourraient conduire au développement de nouveaux types de moteurs thermiques et de dispositifs de traitement de l'information.

Comme l'expliquent les scientifiques dans un nouvel article publié dans Lettres d'examen physique , la possibilité que l'information puisse être effacée à un coût énergétique nul est surprenante au premier abord en raison du fait que l'énergie et l'entropie sont si étroitement liées en thermodynamique. Dans le cadre de l'information, l'effacement de l'information correspond à l'effacement de l'entropie (ou une diminution de l'entropie) et nécessite donc un minimum d'énergie, qui est déterminé par le principe d'effacement de Landauer.

Puisque le principe d'effacement de Landauer est équivalent à la deuxième loi de la thermodynamique, le schéma d'effacement à énergie nulle utilisant des quantités conservées arbitraires peut être considéré comme une deuxième loi généralisée de la thermodynamique. Cette idée remonte au moins à 1957, quand E.T. Jaynes a proposé une alternative à la seconde loi dans laquelle l'énergie thermique est pensée de manière plus générale que d'habitude, de sorte que la chaleur incorpore d'autres types de quantités conservées.

En appliquant ce cadre à l'effacement d'informations, en 2011, Vaccaro et Stephen Barnett ont montré que le coût énergétique de l'effacement des informations peut être remplacé par une ou plusieurs quantités conservées différentes, en particulier, moment cinétique de spin.

Une différence importante entre l'énergie thermique et le moment angulaire de spin est que, tandis que la chaleur peut ou non être quantifiée, le moment cinétique de spin est une propriété intrinsèquement quantique, et il est donc toujours quantifié. Cela a des implications lorsqu'il s'agit de tenir compte des minuscules fluctuations de ces quantités qui deviennent importantes lors de la conception de systèmes à l'échelle nanométrique.

Les scientifiques n'ont étudié ces fluctuations que récemment dans le contexte du principe de Landauer, où ils ont découvert que ces fluctuations sont rapidement supprimées par ce qu'on appelle l'égalité de Jarzynski. Cela signifie que les fluctuations de l'énergie thermique n'ont qu'une très faible probabilité de violer le principe de Landauer.

Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont pour la première fois étudié les fluctuations discrètes correspondantes qui surviennent lors de l'effacement d'informations à l'aide du spin.

Parmi leurs résultats, les chercheurs ont découvert que les fluctuations discrètes sont supprimées encore plus rapidement que prévu par le L'égalité de Jarzynski pour "spinlabor" - un nouveau terme que les scientifiques ont conçu qui signifie l'équivalent de spin du travail. C'est la première preuve de franchir cette limite dans un contexte d'effacement d'informations. La suppression rapide signifie que les fluctuations ont une probabilité extrêmement faible d'utiliser moins que le coût minimal requis pour effacer les informations à l'aide du spin, comme donné par la borne de Vaccaro-Barnett, qui est l'équivalent de spin du principe de Landauer.

"Notre travail généralise les relations de fluctuation pour l'effacement en utilisant des quantités conservées arbitraires et expose le rôle de la discrétion dans le contexte de l'effacement, " Bedkihal a dit Phys.org . "Nous avons également obtenu une limite de probabilité de violation qui est plus stricte que la limite de Jarzynski correspondante. C'est un résultat statistiquement significatif."

Les scientifiques soulignent également que ce processus d'effacement d'informations avec le spin a déjà été démontré expérimentalement, bien qu'il semble être passé inaperçu. Dans le pompage optique à échange de spin, la lumière est utilisée pour exciter les électrons d'un atome à un niveau d'énergie plus élevé. Pour que les électrons reviennent à leur niveau d'énergie inférieur pendant le processus de relaxation, les atomes et les noyaux entrent en collision et échangent des spins. Ce processus de diminution d'entropie peut être considéré comme analogue à l'effacement d'informations au prix d'un échange de spins.

Globalement, les nouveaux résultats révèlent un aperçu de la thermodynamique du spin et pourraient également guider le développement d'applications futures. Ceux-ci pourraient inclure de nouveaux types de moteurs thermiques et de dispositifs de traitement de l'information basés sur l'effacement qui utilisent des ressources disponibles localement telles que le moment angulaire de spin. Les chercheurs prévoient de poursuivre ces possibilités à l'avenir.

"Le mécanisme d'effacement peut être utilisé pour concevoir des moteurs thermiques généralisés fonctionnant sous les réservoirs de plusieurs quantités conservées tels qu'un réservoir thermique et un réservoir de spin, " Bedkihal a dit. "Par exemple, on peut concevoir des moteurs thermiques utilisant des systèmes de points quantiques semi-conducteurs où les vibrations du réseau constituent un réservoir thermique et les spins nucléaires constituent un réservoir de spins polarisés. De tels moteurs thermiques vont au-delà du moteur thermique traditionnel de Carnot qui fonctionne sous deux réservoirs thermiques."

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