رایانه‌های کوانتومی؛ راز دستیابی به صفر مطلق

طبق قوانین ترمودینامیک برای رسیدن به دمای صفر مطلق به زمان یا انرژی بی نهایت نیاز است، اما یک مطالعه جدید می‌گوید راه دیگری وجود دارد.

به نقل از آی‌ای، نور، صدا و گرما همگی از انواع انرژی در اطراف ما هستند. ترمودینامیک شاخه‌ای از علم است که به ما کمک می‌کند بفهمیم انرژی چگونه بین اجسام حرکت می‌کند و طبق قانون سوم ترمودینامیک، سرد کردن هر جسمی تا دمای منفی ۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد یا «صفر مطلق» که کمترین دمای ممکن است، غیرممکن است.

اکنون یک گروه پژوهشی از دانشگاه صنعتی وین در اتریش راهی برای سرد کردن یک جسم تا دمای صفر مطلق پیدا کرده است.

مطالعه منتشر شده در مجله PRX Quantum این مسیر جایگزین را با استفاده از محاسبات کوانتومی تشریح می‌کند.

پژوهشگران می‌گویند این یافته‌ها می‌تواند به ما در درک بهتر نحوه عملکرد ترمودینامیک در مقیاس کوانتومی کمک کند.

نظریه اطلاعات و اصل لانداوه

قانون سوم ترمودینامیک برای سیستم‌ها و اجسام کلاسیک فرموله شده است، به این معنی که سیستم‌های کوانتومی را در بر نمی‌گیرد. حتی تا به امروز، برهمکنش مکانیک کوانتومی و ترمودینامیک به خوبی درک نشده است و این درک همان چیزی است که پژوهشگران را به سمت دریافت این یافته‌های جدید سوق داد.

طبق اصل لانداوه در نظریه اطلاعات، برای حذف یک بیت از اطلاعات به حداقل و مقدار انرژی محدودی نیاز است. از سوی دیگر، قوانین ترمودینامیک بیان می‌کند که برای سرد کردن یک سیستم یا جسم تا صفر مطلق، به انرژی بی‌نهایت نیاز دارید. مشکل اینجاست که هر دو به یک معنا هستند.

اصل لانداوه(Landauer’s principle) یک اصل فیزیکی است که بیان می‌کند برای پاک ‌کردن یک بیت از اطلاعات اندکی انرژی در محیط تلف می‌شود. هم با کمک قانون دوم ترمودینامیک و هم با کمک تحلیل‌های مایکروسکوپیک مستقل از قانون دوم ترمودینامیک می‌توان به این اصل رسید.

رولف لانداوه این اصل را در سال ۱۹۶۱ میلادی مطرح کرد. استدلال او این بود که چون پاک ‌کردن، یک تابع منطقی است که وارون آن مقدار یکتایی ندارد، بنابراین باید با نوعی بازگشت‌ناپذیری فیزیکی همراه باشد و در نتیجه با تولید گرما همراه است. مطابق بیان لانداوه، با فرض اینکه آنتروپی اطلاعات نوعی آنتروپی فیزیکی است، از آنجایی که هر بیت پیش از پاک‌شدن می‌تواند دو حالت متفاوت داشته باشد، ولی پس از پاک‌شدن تنها یک حالت برای آن متصور است، بنابراین آنتروپی اطلاعات آن باید اندکی تغییر کند و از آنجایی که آنتروپی هرگز نمی‌تواند کاهش یابد، باید به صورت گرما خودش را نشان دهد.

پژوهشگران این مطالعه جدید می‌گویند برای رسیدن به صفر مطلق لزوماً به انرژی بی‌نهایت نیاز نیست، همچنین می‌توان زمان بی‌نهایتی را با انرژی محدود برای رسیدن به صفر مطلق صرف کرد. اینجاست که این گروه پژوهشی یک پارامتر پنهان، یعنی هم‌تافتی یا پیچیدگی(complexity) را پیدا کرد.

آنها دریافتند که اگر کنترل بی‌نهایت کاملی بر روی یک سیستم بی‌نهایت پیچیده مانند سیستم‌های کوانتومی داشته باشید، آنگاه می‌توان یک جسم را با انرژی مشخص و محدود در زمان مشخص و محدود تا صفر مطلق سرد کرد. در واقعیت این امکان‌پذیر نیست، زیرا ما با بی نهایت‌ها سر و کار داریم.

رایانه‌های کوانتومی و اطلاعات

یافته‌های این مطالعه یک مشکل اساسی در رایانه‌های کوانتومی عملی را برجسته می‌کند. از لحاظ نظری، اگر ما یک رایانه کوانتومی بی‌نهایت هم‌تافت و پیچیده داشتیم، می‌توانستیم داده‌های ذخیره شده در کیوبیت‌ها را پاک کنیم.

در واقعیت، این امکان پذیر نیست. هیچ ماشینی کامل نیست. در حالی که می‌توان رایانه‌های کوانتومی ساخت که به خوبی کار کنند، اما آنها نمی‌توانند بی‌نهایت هم‌تافت و پیچیده باشند. این ما را به مشکل دیگری در رایانه‌های کوانتومی سوق می‌دهد که هامن ناپایداری در دماهای بالاتر است.

رایانه‌های کوانتومی معمولاً در دماهای بالاتر به دلیل نویز(اختلال) و شکستن حالت‌های کوانتومی مختل می‌شوند و برای استفاده، ناپایدار می‌شوند. هر دوی این مشکلات بر نیاز به تحقیقات بیشتر در زمینه ترمودینامیک کوانتومی تاکید دارند.

پژوهشگران می‌گویند، اصول اساسی برای درک و پیاده‌سازی فناوری‌های کوانتومی بهتر در آینده ضروری است.

در چکیده این پژوهش آمده است:

ترمودینامیک دانش ما از جهان را به توانایی ما برای دستکاری و در نتیجه کنترل آن متصل می‌کند. این نقش حیاتیِ کنترل را قانون سوم ترمودینامیک، اصل دست نیافتنی نرنست(Nernst) نشان می‌دهد که بیان می‌کند برای خنک کردن یک سیستم تا دمای صفر مطلق به منابع بی‌نهایت نیاز است. اما این منابع چیست و چگونه باید از آنها استفاده کرد و این چه ارتباطی با اصل لانداوه دارد که اطلاعات و ترمودینامیک را به هم متصل می‌کند؟

ما با ارائه چارچوبی برای شناسایی منابعی که امکان ایجاد حالت‌های کوانتومی خالص را فراهم می‌کنند به این سؤالات پاسخ می‌دهیم. ما نشان می‌دهیم که خنک‌سازی کامل با هزینه انرژی لانداوه با توجه به زمان بی‌نهایت یا پیچیدگی کنترل، امکان‌پذیر است.

کار ما اصل لانداوه را به یک محیط کاملاً ترمودینامیکی تعمیم می‌دهد که منجر به اتحاد با قانون سوم ترمودینامیک می‌شود و بر اهمیت کنترل در ترمودینامیک کوانتومی تأکید می‌کند.