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     來源： 科技日報(bào) 作者： 常麗君

    最新一期《自然》雜志上的一項(xiàng)研究：在特定情況下，計(jì)算過程不僅不會(huì)發(fā)熱，甚至還會(huì)制冷。

    第三只眼 

    本報(bào)記者 常麗君 綜合外電

    計(jì)算機(jī)工作時(shí)，它們消耗的能量最終變成了熱。從放置膝蓋的便攜電腦到屋子里的超大計(jì)算機(jī)，人們都能感到它們在散熱。這些熱并非全都由硬件的運(yùn)作所產(chǎn)生，處理信息也要耗費(fèi)能量而發(fā)熱。但令人驚訝的是，理論物理學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，在特定情況下，計(jì)算過程不僅不會(huì)發(fā)熱，甚至還會(huì)制冷。他們的研究發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上。

    刪除信息或能制冷

    最近，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授雷納托•雷內(nèi)和新加坡國立大學(xué)與英國牛津大學(xué)量子技術(shù)中心韋拉科•維德羅共同進(jìn)行了一項(xiàng)研究，證明了在量子糾纏狀態(tài)下刪除數(shù)據(jù)，反而會(huì)出現(xiàn)致冷效果。利用這一點(diǎn)，有望給超大計(jì)算機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱降溫。

    “雖然我們能在量子水平實(shí)現(xiàn)這種控制，但在超大計(jì)算機(jī)上能否實(shí)現(xiàn)還是個(gè)巨大挑戰(zhàn)，但也并非不可能，過去20年里量子技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步。”維德羅表示，根據(jù)目前量子物理實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)，用幾個(gè)比特的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論性證明的實(shí)驗(yàn)還是可能的。

    量子糾纏扭曲蘭道爾原理

    物理學(xué)家羅爾夫•蘭道爾在1961年計(jì)算出，在刪除信息過程中要消耗能量，并以熱的形式釋放出來。而計(jì)算機(jī)每秒鐘要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，按蘭道爾原理意味著將產(chǎn)生大量的熱。雖然在目前的超大計(jì)算機(jī)中，硬件運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量太過明顯掩蓋了這種蘭道爾“刪除熱”，但雷內(nèi)認(rèn)為，在下個(gè)10年到20年，“刪除熱”將變得更關(guān)鍵。理論上講，刪除10兆兆數(shù)據(jù)產(chǎn)生的熱量還不到1焦耳，但如果每秒都要大量地重復(fù)這一刪除過程的話，熱量就會(huì)逐漸積累起來。  

    如果要?jiǎng)h除的比特值是已知的，也就是說當(dāng)存儲(chǔ)的內(nèi)容是已知的，就是以一種理論上能再生的方式來刪除這些數(shù)據(jù)內(nèi)容，按照蘭道爾原理這是可能的。而此前有研究證明這種可逆刪除不會(huì)產(chǎn)生熱。  

    更進(jìn)一步考慮，當(dāng)要?jiǎng)h除的數(shù)據(jù)內(nèi)容和觀察者處于量子糾纏的狀態(tài)，那么觀察者在刪除這些數(shù)據(jù)時(shí)，就能從系統(tǒng)中吸收熱量。量子糾纏將觀察者的狀態(tài)和計(jì)算機(jī)的狀態(tài)聯(lián)在了一起。在這種方式下，他們知道的存儲(chǔ)內(nèi)容比在經(jīng)典物理學(xué)中更多。

    兩門學(xué)科“熵”相通

    在很大范圍上，“熵”的含義在“信息論”和“熱力學(xué)”兩門學(xué)科中互相獨(dú)立。在信息論中，熵用來衡量信息密度的平均信息量，比如可以用它來描述一條數(shù)據(jù)經(jīng)最佳壓縮后所占的存儲(chǔ)容量。而在熱力學(xué)中，熵描述了系統(tǒng)的混亂程度，如氣體中的分子排列，熵值增加相當(dāng)于熱能增加。  

    雷內(nèi)說：“而我們同時(shí)面對著這兩種情況。即在量子力學(xué)的理論框架下，熵的概念同時(shí)描述了這二者。看起來兩個(gè)熵的公式是一樣的，人們也假定它們之間有關(guān)聯(lián)。按照我們的研究，在兩種情況下，熵可以看作是一種相對的‘知識(shí)貧乏’態(tài)。在測量這種熵的時(shí)候要秉承一個(gè)宗旨，即物體本身從本質(zhì)上說并沒有一定數(shù)量的熵，物體的熵總是依賴于觀察者。”  

    還以刪除數(shù)據(jù)為例，如果兩個(gè)人分別刪除一個(gè)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，其中一人對這些數(shù)據(jù)知道的更多，她會(huì)覺得這個(gè)內(nèi)存的熵更低，刪除該內(nèi)存所用的能量更少。在經(jīng)典物理中，一個(gè)系統(tǒng)的理想狀態(tài)是觀察者認(rèn)為它的熵是零，這表示觀察者記憶的內(nèi)容和系統(tǒng)內(nèi)存中的內(nèi)容完全一致，這才符合經(jīng)典物理學(xué)。由于量子相關(guān)比經(jīng)典相關(guān)更強(qiáng)，在量子糾纏中給了觀察者多于整體系統(tǒng)的更多知識(shí)，導(dǎo)致了熵值小于零。

    不發(fā)會(huì)熱反能制冷

    熵在量子物理學(xué)中有著不尋常的性質(zhì)。但從信息論角度來計(jì)算時(shí)，人們往往忽略了這一點(diǎn)。雖然理論物理學(xué)家在計(jì)算中已經(jīng)使用了負(fù)熵，卻并不理解它在熱力學(xué)中或?qū)嶒?yàn)中的含義。  

   在經(jīng)典物理的例子中，計(jì)算機(jī)內(nèi)存是零熵，刪除數(shù)據(jù)在理論上根本不需要耗能。而在量子糾纏和記憶（負(fù)熵）造成的“多出知識(shí)”，導(dǎo)致在刪除數(shù)據(jù)的過程中，伴隨著從計(jì)算機(jī)中清除了它因耗能而釋放的熱量。這正是負(fù)熵的物理含義。

    盡管如此，“這并不意味著我們能開發(fā)出一種永動(dòng)機(jī)”。雷內(nèi)強(qiáng)調(diào)，數(shù)據(jù)只能被刪除一次，所以不可能持續(xù)產(chǎn)生能量。而這一過程也破壞了糾纏，會(huì)帶來能量輸入將系統(tǒng)重置為初始狀態(tài)。這并沒有違背熱力學(xué)第二定律，也就是說宇宙中的熵不會(huì)減少（不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零）。“我們正處在第二定律的邊緣，如果你再進(jìn)一步，就會(huì)打破它。” 維德羅說。  

    熵的概念在熱力學(xué)和信息論中雖不相同，卻基本相通。它的用途遠(yuǎn)不止于計(jì)算電腦的發(fā)熱量。比如，人們在信息論中處理熵的方法，很可能導(dǎo)致熱力學(xué)的革新。

    (科技日報(bào))

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