Des chercheurs de Trinity ont découvert un effet quantique unique dans l'effacement d'informations qui peut avoir des implications importantes pour la conception de puces informatiques quantiques. Leur découverte surprenante fait revivre le paradoxe « Le démon de Maxwell, " qui tourmente les physiciens depuis plus de 150 ans.

La thermodynamique du calcul a été mise en avant en 1961 lorsque Rolf Landauer, puis chez IBM, découvert une relation entre la dissipation de la chaleur et des opérations logiquement irréversibles. Landauer est connu pour le mantra "L'information est physique, " qui nous rappelle que l'information n'est pas abstraite et est encodée sur du matériel physique.

Le "bit" est la devise de l'information (il peut être soit zéro, soit un) et Landauer a découvert que lorsqu'un bit est effacé, il y a une quantité minimale de chaleur libérée. C'est ce qu'on appelle la borne de Landauer et c'est le lien définitif entre la théorie de l'information et la thermodynamique.

Le groupe QuSys du professeur John Goold à Trinity analyse ce sujet en pensant à l'informatique quantique, où un bit quantique (un qubit, qui peut être zéro et un à la fois) est effacé.

Dans un ouvrage qui vient d'être publié dans la revue, Lettres d'examen physique , le groupe a découvert que la nature quantique des informations à effacer peut conduire à des écarts importants dans la dissipation thermique, qui n'est pas présent dans l'effacement de bits conventionnel.

La thermodynamique et le démon de Maxwell

Cent ans avant la découverte de Landauer, des gens comme le scientifique viennois, Ludwig Boltzmann, et physicien écossais, James Clerk Maxwell, formulaient la théorie cinétique des gaz, raviver une vieille idée des anciens Grecs en pensant que la matière est faite d'atomes et en dérivant la thermodynamique macroscopique de la dynamique microscopique.

Le professeur Goold dit :« La mécanique statistique nous dit que des choses comme la pression et la température, et même les lois de la thermodynamique elles-mêmes, peut être compris par le comportement moyen des constituants atomiques de la matière. La deuxième loi de la thermodynamique concerne ce qu'on appelle l'entropie qui, en un mot, est une mesure du désordre dans un processus. La deuxième loi nous dit qu'en l'absence d'intervention extérieure, tous les processus de l'univers tendent, en moyenne, augmenter leur entropie et atteindre un état dit d'équilibre thermique.

"Il nous dit que, lorsqu'il est mélangé, deux gaz à des températures différentes atteindront un nouvel état d'équilibre à la température moyenne des deux. C'est la loi ultime dans le sens où tout système dynamique y est soumis. Il n'y a pas d'échappatoire :toutes choses atteindront l'équilibre, même toi."

Cependant, les pères fondateurs de la mécanique statistique ont essayé de creuser des trous dans la deuxième loi dès le début de la théorie cinétique. Considérons à nouveau l'exemple d'un gaz en équilibre :Maxwell a imaginé un être hypothétique « aux doigts soignés » avec la capacité de suivre et de trier les particules dans un gaz en fonction de leur vitesse.

le démon de Maxwell, comme l'être est devenu connu, pouvait ouvrir et fermer rapidement une trappe dans une boîte contenant un gaz, et laissez passer les particules chaudes d'un côté de la boîte mais restreignez les particules froides de l'autre. Ce scénario semble contredire la deuxième loi de la thermodynamique car l'entropie globale semble diminuer et le paradoxe le plus célèbre de la physique est peut-être né.

Mais qu'en est-il de la découverte de Landauer sur le coût de dissipation thermique de l'effacement des informations ? Bien, il a fallu encore 20 ans pour que cela soit pleinement apprécié, le paradoxe résolu, et le démon de Maxwell finalement exorcisé.

Le travail de Landauer a inspiré Charlie Bennett, également chez IBM, pour étudier l'idée de l'informatique réversible. Dans un 982, Bennett a soutenu que le démon doit avoir une mémoire, et que ce n'est pas la mesure mais l'effacement de l'information dans la mémoire du démon qui est l'acte qui restaure la seconde loi du paradoxe. Et, par conséquent, la thermodynamique de calcul est née.

De nouvelles découvertes

Maintenant, 40 ans plus tard, c'est là qu'interviennent les nouveaux travaux menés par le groupe du professeur Goold, avec un focus sur la thermodynamique du calcul quantique.

Dans le récent article, publié avec le collaborateur Harry Miller à l'Université de Manchester et deux boursiers postdoctoraux du groupe QuSys à Trinity, Mark Mitchison et Giacomo Guarnieri, l'équipe a étudié très attentivement un processus d'effacement expérimentalement réaliste qui permet la superposition quantique (le qubit peut être à l'état zéro et un en même temps).

Le professeur Goold explique :« En réalité, les ordinateurs fonctionnent bien loin de la destination de Landauer pour la dissipation thermique car ce ne sont pas des systèmes parfaits. Cependant, il est encore important de penser au bornage car à mesure que la miniaturisation des composants informatiques se poursuit, cette limite devient de plus en plus proche, et cela devient de plus en plus pertinent pour les machines informatiques quantiques. Ce qui est étonnant, c'est qu'avec la technologie de nos jours, vous pouvez vraiment étudier l'effacement approchant cette limite.

"Nous avons demandé, « Quelle différence cette caractéristique quantique distincte fait-elle pour le protocole d'effacement ? » Et la réponse était quelque chose à laquelle nous ne nous attendions pas. Nous avons constaté que même dans un protocole d'effacement idéal - en raison de la superposition quantique - vous obtenez des événements très rares qui dissipent une chaleur bien supérieure à la limite de Landauer.

"Dans le journal, nous prouvons mathématiquement que ces événements existent et sont une caractéristique quantique unique. Il s'agit d'une découverte très inhabituelle qui pourrait être très importante pour la gestion de la chaleur sur les futures puces quantiques, bien qu'il reste encore beaucoup de travail à faire, en particulier dans l'analyse des opérations plus rapides et de la thermodynamique d'autres implémentations de vannes.

« Même en 2020, Le démon de Maxwell continue de poser des questions fondamentales sur les lois de la nature."