В исследовании, проведённом учёными из Венского технического университета (TU Wien) и Свободного университета Берлина (FU Berlin), исследователи измерили, что происходит, когда теряется квантово-физическая информация. Это проясняет важные связи между термодинамикой, теорией информации и квантовой физикой.
Тепло и информация
Тепло и информация — это две очень разные концепции, которые на первый взгляд кажутся не связанными друг с другом. Тепло и энергия являются центральными понятиями в термодинамике, важной области физики. Теория информации, с другой стороны, является абстрактной темой в математике.
Но ещё в 1960-х годах физик Рольф Ландауэр смог показать, что эти две концепции тесно связаны: удаление информации неизбежно связано с обменом энергией. Вы не можете удалить устройство хранения данных, не выделив тепло во внешний мир.
Измерение явления в квантовых системах
Эта удивительная связь играет важную роль в квантовой теории сегодня. Теперь исследователи из TU Wien впервые смогли измерить это явление во многих квантовых системах частиц и также количественно его оценить. Тезис Ландауэра действительно подтвердился: когда квантовая система «забывает» своё состояние, когда её информация удаляется, это сопровождается обменом энтропией и энергией между квантовой системой и её окружением. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Профессор Йорг Шмидтмайер из Атомного института при TU Wien говорит: «Принцип Ландауэра гласит, что удаление информации никогда не бывает бесплатным. Независимо от того, как вы храните информацию, независимо от того, насколько вы экономичны и эффективны, удаление бита информации всегда приводит, по крайней мере, к определённому увеличению энтропии и, следовательно, к потере энергии».
Новая форма магнетизма
Физики из Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировали новую форму магнетизма, которая однажды может быть использована для создания более быстрых, плотных и менее энергоёмких чипов памяти.
Объяснение новой формы магнетизма
Новая магнитная форма представляет собой сочетание двух основных форм магнетизма: ферромагнетизма обычных магнитов на холодильник и антиферромагнетизма, при котором материалы имеют магнитные свойства на микроуровне, но не обладают макроскопической намагниченностью.
Команда обнаружила новый p-волновой магнетизм в иодиде никеля (NiI₂), двумерном кристаллическом материале, который они синтезировали в лаборатории. Подобно ферромагнетику, электроны демонстрируют предпочтительную ориентацию спина, и, подобно антиферромагнетику, равные популяции противоположных спинов приводят к чистой отмене. Однако спины на атомах никеля демонстрируют уникальный узор, образуя спиралевидные конфигурации внутри материала, которые являются зеркальными отражениями друг друга.
Возможность переключения спинов
Исследователи обнаружили, что эта спиральная конфигурация спинов позволила им осуществить «переключение спинов»: в зависимости от направления спиралей в материале они могли применить небольшое электрическое поле в соответствующем направлении, чтобы легко перевернуть левостороннюю спираль спинов в правостороннюю спираль спинов и наоборот.
Влияние электрического поля на сверхпроводимость
Недавно были достигнуты успехи в использовании ультратонких сверхпроводящих металлов в качестве потенциальных материалов для транзисторов. При охлаждении ниже критической температуры эти материалы проводят ток с нулевым сопротивлением. Однако применение достаточно высокого статического электрического поля на поверхности плёнки неоднократно демонстрировало возможность подавления сверхпроводящего тока.
Механизм подавления сверхпроводимости
Исследователи из Италии выяснили, как работает механизм подавления сверхпроводимости электрическим полем. Ключевым аспектом является то, что металлическая тонкая плёнка должна быть достаточно тонкой, чтобы глубина проникновения приложенного электрического поля была сопоставима с толщиной плёнки или, по крайней мере, не более чем на порядок меньше.
Используя наиболее сложное вычислительное описание сверхпроводимости, известное как теория Элиашберга, исследователи смогли точно определить величину электрического поля, необходимого для подавления сверхпроводящего тока. Это значение, порядка ста миллионов вольт на метр, хорошо согласуется с экспериментально определёнными значениями.
quantum system \”forgets\” its state, when its information is deleted, this is accompanied by an exchange of entropy and energy between the quantum system and its environment. The research is published in Nature Physics.”,”\”The so-called Landauer principle states that deleting information is never free,\” says Prof. Jörg Schmiedmayer from the Atomic Institute at TU Wien. \”No matter how you store information, no matter how economical and efficient you are, deleting a bit of information always results in at least a certain increase in entropy and thus also in a loss of energy.\” This principle plays an important role in quantum computers and sets fundamental limits for information processing based on quantum physics.”,”But the question now is: What does \”deleting\” or \”forgetting\” mean in a physical sense? After all, information can be lost in many different ways. You can erase information written in pencil. You can demagnetize magnetic data carriers. But you can also ask: Doesn’t a physical system also forget information simply by the passage of time?”,”There are physical systems whose future state follows from their current state in a clear and predictable way. For example, if you know the positions and velocities of all the planets, you can calculate with great precision where the planets will be in three months’ time—or where they were three months ago. This means that no information has been lost. No data has been deleted. In the current state of the system, the previous state is still stored in a certain sense. In principle, it can be reconstructed.”,”In quantum physics, this is also the case in principle—but only until the quantum system comes into contact with its environment. When you measure the state of a quantum particle, for example, you inevitably bring it into contact with a measuring device. Information is transferred from the quantum particle to the measuring device, changing the state of the particle in a way that cannot be reversed. Information seeps from the particle into the environment in an irreversible one-way process.”,”At TU Wien, this phenomenon has now been investigated using ultra-cold atom clouds. Several thousand rubidium atoms were cooled and held in place on an atom chip. Then, suddenly, two such atom clouds were dropped, allowing them to spread freely and overlap with each other.”,”\”Now we divide the entire system into two parts,\” says Amin Tajik, who carried out the experiments. \”One part serves as our quantum system, which we analyze. The rest is defined as the environment—the environment with which our subsystem interacts.\””,”By precisely measuring the interference between the two atomic clouds, it is now possible to see how the subsystem interacts with its environment, how information is lost and how entropy is transferred.”,”\”There is no measuring device that can directly record these variables simultaneously,\” says Stefan Aimet, a theorist at the FU Berlin and member of the theory team that worked in close international collaboration with theorists who modeled the observed phenomenon and quantified the connection between energy and information flows.”,”A detailed analysis showed that even this complicated multi-particle system adheres to Landauer’s rules. The deletion of quantum information is indeed accompanied by entropy transfer and energy loss. \”This is an important confirmation that information and quantum physics are indeed intertwined in such an exciting and profound way as Rolf Landauer thought,\” says Jens Eisert, head of the theory group at the FU Berlin.”,”\”This also brings us closer to understanding one of the most fundamental questions of quantum physics. What is particularly exciting about this work are the insights into information and heat that are not directly covered by Landauer’s principle, as this is already a valid theorem. But this platform of ultracold atoms allows us to quantitatively explore such profound questions about the measurement process, which will also be important for quantum technologies.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tVienna University of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник