Czy zastanawialiście się kiedyś nad fizyką stojącą za charakterystycznym szumem laptopa, kiedy się przegrzewa leżąc na kolanach? Albo nad wszechogarniającym ciepłem generowanym przez pomieszczenia biurowe wypełnione włączonymi komputerami lub serwerownie?

Międzynarodowy zespół fizyków teoretycznych dokonał ostatnio wyjątkowego odkrycia, że komputery mogą równie dobrze generować ciepło, jak i chłód.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature zespół z Wlk. Brytanii, Szwajcarii i Singapuru wyszedł od powszechnie uznanego faktu, że energia zużyta przez włączone komputery ostatecznie przekształci się w ciepło. Badania, które otrzymały wsparcie finansowe od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych ujawniają, że w pewnych warunkach usuwanie danych może wytworzyć efekt chłodzenia.

Odkrycia te mogą mieć znaczenie w kontekście możliwości ręcznego schładzania tak zwanych "superkomputerów", których wydajność jest często ograniczona z powodu ich przegrzewania się. Superkomputery są wykorzystywane do zadań wymagających ogromnych zdolności przetwarzania, na przykład w meteorologii czy modelowaniu molekularnym.

Naukowcy wyjaśniają, że efekt schładzania jest następstwem zjawiska kwantowego splątania. "Uzyskanie takiej kontroli na poziomie kwantowym, jaka potrzebna byłaby do wdrożenia tego w superkomputerach stanowi wprawdzie potężne wyzwanie technologiczne, ale nie musi to być niemożliwe. W ciągu ostatnich 20 lat poczyniono znaczące postępy w technologiach kwantowych" - wyjaśnia Vlatko Vedral, współautor artykułu. "Dzięki technologii dostępnej obecnie w laboratoriach fizyki kwantowej powinno być możliwe przeprowadzenie doświadczenia prognostycznego na kilku bitach danych."

To fizyk Rolf Landauer jako pierwszy odkrył w 1961 r., że usuwanie danych powoduje w sposób nieuchronny uwolnienie energii pod postacią ciepła. Ta zasada oznacza, że po przekroczeniu pewnej liczby operacji arytmetycznych na sekundę komputer wygeneruje ciepło w ilościach niemożliwych do rozproszenia. Chociaż w przypadku dzisiejszych superkomputerów istotniejsze są inne źródła ciepła, zespół jest przekonany, że krytyczny próg, przy którym ciepło generowane przez wymazywanie - zgodnie z zasadą Landauera - stanie się istotne może zostać osiągnięty w ciągu kolejnych od 10 do 20 lat.

Ciepło powstające przy wymazywaniu dysku twardego o pojemności 10 terabajtów wynosi niewiele ponad jedną milionową dżula. Aczkolwiek, jeżeli proces wymazywania zostałby powtórzony wielokrotnie w ciągu sekundy, wówczas nastąpi odpowiednia akumulacja ciepła.

Nowe badania stawiają ponownie w centrum uwagi zasadę Landauera w przypadkach, w których wartość bitów do wymazania może być znana. Kiedy znana jest zawartość pamięci, powinno być możliwe wymazanie ich w taki sposób, który teoretycznie umożliwia odtworzenie ich.

W toku wcześniejszych badań wykazano, że takie odwracalne wymazanie nie wygeneruje ciepła. Postęp poczyniony w ramach nowych badań polega na wykazaniu, że kiedy bity do wymazania są kwantowo-mechanicznie splątane ze stanem obserwatora, wówczas może on nawet wyciągnąć ciepło z systemu w czasie wymazywania bitów. Splątanie wiąże stan obserwatora ze stanem komputera w taki sposób, że wie on więcej o pamięci niż jest to możliwe w fizyce klasycznej.

W ramach badań zespół wykorzystał pojęcia z teorii informacji i termodynamiki w koncepcji zwanej entropią. W teorii informacji entropia jest pomiarem gęstości informacji, który opisuje ile pojemności pamięci zajmie dany zbiór danych przy optymalnej kompresji. Natomiast w termodynamice entropia odnosi się do nieuporządkowania w systemach, na przykład do układu molekuł w gazie. W termodynamice zwiększenie entropii systemu zwykle jest równoważne z dodaniem energii, takiej jak ciepło.

"Wykazaliśmy teraz, że w obydwu przypadkach termin entropia tak naprawdę opisuje tą samą rzecz, nawet w reżimie kwantowo-mechanicznym. Wyniki naszych badań wskazują, że w obydwu przypadkach entropia jest uznawana za swego rodzaju brak wiedzy" - mówi Renato Renner z zespołu badawczego.

W praktyce odkrycia te oznaczają, że jeżeli dwie osoby wymażą dane z pamięci, a jedna ma większą wiedzę na ich temat, pamięć jest postrzegana jako cechująca się niższą entropią i może zostać wymazana przy użyciu mniejszej energii.

Badania, prócz swojej przydatności dla naszej wiedzy o wytwarzaniu ciepła przez komputery, mogą mieć pozytywny wpływ na rozwój innowacyjności w termodynamice.

© Unia Europejska 2005-2011

Źródło: CORDIS

Referencje dokumentu: Del Rio, L., et al. (2011) The thermodynamic meaning of negative entropy. Nature. DOI: 10.1038/nature10123.