فیزیکدان ها ثابت کرده اند که فراموش کردن است که رهایی از شیطانک مکسول را به همراه می آورد

فیلیپ بال

هفتم مارس 2012

فراموش کردن همیشه با صرف اندکی انرژی توام است. اِریک لوتز[1] در دانشگاه آگسبرگ آلمان[2] و همکارانش یک اثبات تجربی برای مقدار دقیق این انرژیِ کم یافته‌اند. نتایج این پژوهش در نشریه نیچر منتشر‌شده‌است[3].

در سال 1961 میلادی فیزیکدانی بنام رولف لنداوئر[4] استدلالی ارائه کرد مبنی بر این که برای باز‌نشاندن یک بیت اطلاعات --یعنی مثلا برای تبدیل یک رقم از عددی در مبنای دو به صفر در یک حافظه کامپیوترصرف نظر از این که در وهله ی اول صفر بوده یا یک-- مقدار کمینه ی مشخصی گرما که متناسب با دمای محیط است باید آزاد شود.

لوتز که هم اکنون در دانشگاه آزاد برلین[5] است چنین توضیح می دهد که "پاک کردن اطلاعات، دو حالت را به یک حالت می فشرد و همین فشردگی است که به اتلاف گرما می انجامد."

حتی اگر کتاب هم نسوزانید، از بین بردن اطلاعات گرما تولید می کند.

اکنون به نظر می‌رسد که پژوهش‌های لوتز نظریه ی لنداوئر را تائید می‌کند. طبق گفته ی کریستوفر یارژینسکی[6] شیمی‌فیزیکدان دانشگاه مریلند در کالج پارک امریکا، "نیم قرن است که فیزیکدانان نظری با اصل لنداوئر ور رفته اند، اما تا آن جا که می دانم این مقاله نخستین نمایش تجربی آن است."

برای آزمون این اصل، پژوهشگران یک بیت دو حالته ساده ساختند: تک مهره‌ ای سیلیکونی میکروسکوپی که در یک "تله ی نوری" به وسیله ی باریکه‌ای لیزری نگه‌داشته‌شده‌است. تله شامل دو "دره" است که ذره می‌تواند در آن ها جای بگیرد، یکی نشان دهنده‌ی 1 است و دیگری 0 . ذره می‌تواند بین این دو حالت پرش کند البته به شرطی که" تپه" انرژی که این دو دره را جدا می‌کند خیلی مرتفع نباشد.

پژوهشگران می‌توانند این ارتفاع را با تغییر دادن توان لیزر کنترل کنند و می‌توانند دو دره را "متمایل" کنند به طوری که مهره به طرف یکی از آن ها سوق داده شود و این کار را به وسیله‌ی جابجا کردن خود سلول شامل مهره انجام می دهند چنان که اندکی  از نقطه کانونی لیزر دور شده باشد.

آنها با ثبت مکان و سرعت ذره در طول یک چرخه ی تغییر و بازنشانیِ بیت، توانستند میزان انرژی اتلافی را محاسبه کنند. حدِ لنداوئر تنها هنگامی که بازنشانی بینهایت آهسته انجام شود صادق است و لوتز و همکارانش چنین یافتند که با استفاده از چرخه‌های تغییر طولانی‌تر، میزان اتلاف کمتر و کمتر شد و به حدی میل کرد که لنداوئر پیش بینی کرده بود.

گذر از شیطانک مکسول[7]

این نتایج از یکی از عزیزترین اصول علوم فیزیکی محافظت  می‌کند: قانون دوم ترمودینامیک. بر اساس این قانون گرما همواره از محیط گرم به محیط سرد منتقل می‌شود. و یا به بیانی هم ارز، آنتروپی --میزان بی نظمی در جهان-- همواره رو به افزایش است.

در قرن نوزدهم، جِیمز کلِرک مکسول[8] دانشمند اسکاتلندی، سناریویی پیشنهاد کرد که به نظر می‌رسید این قانون را نقض می‌کند. در یک گاز، مولکولهای گرم سریعتر از مولکولهای سرد حرکت می‌کنند. مکسول یک موجود هوشمند میکروسکوپی را تصور کرد که بعد‌ها به "شیطانک" معروف شد. این موجود یک دریچه میان دو محفظه را باز و بسته می‌کند تا با انتخابش  مولکولهای گرم در یک محفظه و مولکولهای سرد در محفظه ی  دیگر بدام افتند و بدین ترتیب با تمایل گرما برای پخش شدن و افزایش آنتروپی مقابله ‌شود.

نظریه لنداوئر اولین دلیل قانع کننده را برای این که چرا شیطانک مکسول نمی‌تواند کارش را انجام دهد، ارائه کرد. شیطانک ناچار است پس از هر عملیات انتخاب، اطلاعات استفاده شده برای برگزیدن مولکول‌ها را پاک (فراموش) کند، و این باعث آزاد شدن گرما و افزایش آنتروپی می‌شود. این افزایش آنتروپی بیش از آنتروپی کم شده توسط  شیطانک است.

در سال 2010 میلادی فیزیکدانان ژاپنی نشان دادند که با بهره‌ برداری گزینشی از افت و خیزهای گرمایی کاتوره ای می توان اطلاعات را به انرژی تبدیل کرد، دقیقا همان گونه که شیطانک مکسول از "دانش خودش" درباره ی حرکت مولکول ها برای ساختن یک مخزن گرمایی استفاده می‌کند[9]. اما یارژینسکی اشاره می‌کند که این پژوهش همچنین نشان دهنده‌ی آن است که لازمه ی انتخابی رفتار کردن، ذخیره کردن اطلاعات درباره ی افت و خیزهاست.

او می‌گوید که آزمایش لوتز اکنون استدلال علیه استفاده از شیطانک مکسول برای نقض قانون دوم ترمودینامیک را تکمیل می‌کند، زیرا نشان می‌دهد که "لزوم پاک کردن نهایی این اطلاعات ذخیره شده، یک جریمه ی ترمودینامیکی به همراه دارد."

بطور عملی تر، اصل لنداوئر یک حدِ پائین برای میزان اتلاف انرژی --و در نتیجه مصرف انرژی-- در یک کامپیوتر قرار می دهد. لوتز می گوید که "اتلاف گرما در تراشه‌های کامپیوتری یکی از مهم‌ترین مشکلات پیش روی مینیاتوری کردن آن هاست."

این مصرف انرژی حتی کمتر هم می‌شود و بگفته ی لوتز در دو سه دهه‌ی آینده به حد لنداوئر خواهد رسید. او می‌گوید، "آزمایشهای ما به روشنی نشان می‌دهد که نمی‌توانیم از حد لنداوئر پائین‌تر رویم." و اضافه می‌کند، "مهندسان بزودی با این حقیقت مواجه خواهند شد."

در این بین،  کامپیوتر‌های کوانتومی نوپا، که در آن ها از قوانین فیزیک کوانتومی برای رسیدن به توان پردازش بالاتر بهره برده شده است، مدتی می شود که با این محدودیت مواجه اند. "پردازش منطقی در کامپیوتر‌های کوانتومی کاملا در محدوده ی رژیم  لنداوئر است."  این را سِث لوید[10] فیزیکدانی از ام آی تی در کمبریج امریکا می‌گوید و اضافه می‌کند، "باید همواره حواسمان به اصل لنداوئر باشد."

 www.nature.com/news/the-unavoidable-cost-of-computation-revealed-1.10186

منبع: doi:10.1038/nature.2012.10186