Фундаментальный предел также распространяется на кубиты
Удивительная связь между информацией и термодинамикой существует и в квантовом мире: если информация удаляется, должно выделяться тепло.
Теория тепла не ограничивается квантовым компьютером. Это результат работы рабочей группы под руководством Манга Фэна из Китайской академии наук, которая проверила принцип Ландауэра на чистой квантовой системе. Как она сообщает в «Physical Reviews Letters», стирание квантового бита высвобождает минимальное количество тепла, которое можно вывести из фундаментальных законов и ниже которого ни одна система не может упасть. До сих пор эта связь между теорией информации и термодинамикой была доказана только в классических системах. По крайней мере считалось возможным, что квантовые биты и, следовательно, квантовые компьютеры не подпадают под это ограничение.
Принцип Ландауэра объединяет энтропию Шеннона, меру содержания информации, со вторым законом термодинамики. При удалении бита энтропия Шеннона уменьшается - соответственно должна увеличиваться энтропия окружающей системы. Это происходит, когда бит выделяет тепло. Однако количество тепла никогда не может упасть ниже значения, постулированного американским физиком Рольфом Ландауэром в 1961 году и рассчитанного на основе постоянной Больцмана и температуры окружающей среды..
Это относится и к квантовым системам. Манг Фэн и его команда заключили ион кальция в магнитную ловушку и использовали два его электронных состояния в качестве кубита 0 и 1 - оба из которых были одинаково населены, состояние максимальной энтропии. Чтобы иметь возможность точно измерить количество выделяемого тепла, рабочая группа использовала в качестве резервуара тепла колебательные состояния самого иона, охлажденного до нескольких десятков микрокельвинов - таким образом они получили точно определяемые, дискретные значения обменной тепловой энергии. С помощью лазера она «стерла» содержащуюся в нем информацию, так что часть энтропии испарилась в виде тепла в виде возбужденных колебательных состояний.
Повторив это измерение много раз, группа показала не только то, что ограничение распространяется и на квантовые биты, но и то, что на практике становится все труднее уменьшить рассеиваемое тепло до этого минимального количества. Результат распространяет фундаментальную связь между теорией информации и термодинамикой на квантовый мир. Но открытие также может иметь важное практическое значение, пишет физик Массимилиано Эспозито в комментарии к «APS Physics» - этот фундаментальный предел для квантовых компьютеров может однажды стать таким же важным, как цикл Карно для тепловых двигателей..