Kvantno znanje hladi kompjutere: novi način razumevanja entropije

Kompjuteri prilikom rada, stvaraju toplotu, i to je svima poznato. Ta činjenica se nije promenila od pojave prvog personalnog računara, ali ima nagoveštaja da se i to može promeniti. Članak bi lako mogao proći kao inženjerska priča da nije teorijskih fizičara. Oni su ti koji tvrde da se efekat zagrevanja prilikom rada kompjutera može pretvoriti u suprotni fenomen – u proces hlađenja. Iza ovakve tvrdnje stoji fundamentalno razmatranje koje se bavi stanjima posedovanja znanja i ne posedovanja znanja. Da ne bismo došli u situaciju da radimo na brzinu, objasnimo sve od samog početka…

Zasmislite da vam ne treba ni komad rashaldnog uređaja dok rade...

Prilikom rada kompjutera, energija koju oni koriste, pre ili kasnije, završi u obliku toplote. Fizičari kažu da to nije sve, kada je ovaj proces u pitanju, i imaju svoj komentar o osnovama potrošnje energije prilikom obrade informacija, podataka.

Skorašnje istraživanje, koje je sproveo tim fizičara, je dalo iznenađujući rezultat na, tom, osnovnom nivou. Profesor Renato Rener (Renato Renner) i Vlatko Vedral (Vlatko Vedral) iz centra za kvantnu tehnologiju pri Nacionalnom univerzitetu u Singapuru i pri Oksfordskom univerzitetu iz Velike Britanije i njihove kolege, opisuju kako brisanje podataka, u određenim uslovima može stvoriti efekat hlađenja, umesto zagrevanja. Efekat je kvantne prirode i nazivaju ga efektom vezivanja (entanglement). Kao krajnji rezultat ovog efekta može biti da super kompjuteri budućnosti imaju koristi od ovog kvantnog efekta u obliku konstantnog hlađenja, i samim tim dizanja performansi. Treba imati na umu da bi današnji kompjuteri bili još efikasniji (brži) da ne moramo da brinemo o njihovom zagrevanju. Ako ono pređe određene granice, kompjuter se jednostavno pregreva i u krajnjem ishodu, pregori.

„Postići kontrolu procesa hlađenja/zagrevanja na kvantnom nivou bi tražilo da se napravi veliki tehnološki skok, ali nije i nemoguće. Svedoci smo velikog napretka u polju kvantne tehnologije u poslednjih 20 godina.“ Kaže Vedral. Sa današnjim mogućnostima koje nudi savremena kvantna laboratorija, trebalo bi da je izvodljivo sprovesti bazični eksperiment, nad nekoliko bitova podataka.

Landauer-ov princip sa kvantnom začkoljicom

Fizičar Rolf Landauer (Rolf William Landauer) je izračunao još 1961. godine, da je tokom brisanja podataka oslobađanje toplote neizbežno. Po Landauer-ovom principu kada kompjuter, tokom rada, premaši neki broj operacija i jedinici vremena, stvorena toplota je tolika da se više ne može „izgubiti“. To, tačnije, znači da se brže generiše dodatna toplotna energija, nego što je sistem preda okolini. Kod današnjih super kompjutera, postoje i drugi izvori zagrevanja koji su značajni, ali Renner misli da će pomenuti efekat biti važan činilac za 10 ili 20 godina. Brojke kažu sledeće: Emisija toplote prilikom brisanja 10 terabajta (terabyte) je oko 1 milionitog dela 1 džula (joule). Međutim ako se ovakav proces brisanja ponovo veliki broj puta tokom jedne sekunde, onda zbirna toplota postaje značajna.

Novo istraživanje Launderovog principa se bavi slučajevima kada su vrednosti bitova koji se brišu poznate. Ako je memorijski sadržaj poznat, moguće ga je obrisati na takav način da ga je posle moguće stvoriti. Već je pokazano da ovo „povratno“ brisanje ne proizvodi toplotu. Sa novom studijom, istraživači idu korak dalje. Oni pokazuju sledeće: prilikom brisanja bitova informacija koje su vezane kvantno-mehanički sa posmatračem, sam posmatrač bi mogao da izvuče postojeću toplotu iz sistema. Kvantno vezivanje povezuje stanje posmatrača sa stanjem kompjutera na način koji ima omogućava da znaju više o memoriji nego da koriste pristup klasične fizike.

Slične formule – dve discipline

Da bi stigli do željenog rezultata (hlađenje tokom brisanja), naučnici kombinuju ideje iz informatičke teorije i koncept iz termodinamike poznat kao entropija. Ovaj pojam se pojavljuje u obe naučne discipline. Kod informatičke teorije entropija predstavlja meru gustine informacija. Takva, opisuje, na primer, koliko memorijskog kapaciteta bi zauzeo neki set podataka kao bi se optimalno kompresovao. U termodinamici, entropija je vezana za ne uređenost sistema. Ona definiše organizovanost molekula u gasu. Po termodinamici, dodavanje entropije sistemu znači dodavanje energije u obliku toplote.

Rener tvrdi: „Pokazalo se, o oba slučaja, da pojam entropije, u stvari, opisuje istu stvar, čak i u kvantno mehaničkom režimu.“  Kako formule za obe entropije imaju isti oblik, već se pretpostavljalo da postoji neka veza između njih. „Naša studija pokazuje, u oba slučaja, da se entropija može sagledati kao manjak znanja.“, ističe Rener.

Treba imati na umu, da prilikom merenja entropije nekog objekta, sam objekat nema entropiju kao takav. Umesto toga, entropija tog objekta je uvek zavisna od posmatrača. Ovo primenjeno na primer sa brisanjem podataka bi mogao dati sledeće. Ako dva nezavisna posmatrača (osobe) brišu podatak iz memorije i jedan od njih ima veću spoznaju o podatku od drugog posmatrača, tada, po njemu, podatak ima manju entropiju i on može obrisati podatke ulažući manju količinu energije. Sem toga, entropija ima neobičnu osobinu da može imati negativnu vrednost kada se posmatra iz ugla informatičke teorije. Potpuna, klasična spoznaja o sistemu znači da posmatrač vidi sistem sa entropijom čija je vrednost nula. Međutim, kvantno vezivanje, daje posmatraču „više nego kompletno znanje“, jer su kvantne korelacije jače od klasičnih. To nas, na posletku, vodi ka entropiji koja je manja od nule. Sve do sada, teoretski fizičari su koristili negativnu entropiju u svojim proračunima, bez dubljeg razumevanja šta bi ona mogla da znači u termodinamici ili u eksperimentu.

Nema zagrevanja, čak i hladi

Da sumiramo, malo.

U slučaju klasičnog, potpunog poznavanja kompjuterske memorije (entropija je nula vrednost), brisanje podatka, u teoriji ne zahteva bilo kakvo ulaganje energije.

U slučaju kvantnog vezivanja „više nego kompletno saznanje“ o memoriji (negativna entropija) vodi ka ta tome, da brisanje podataka dovodi ka izvlačenju topote iz sistema u obliku upotrebljive energije. Ovo bi bio fizički smisao negativne entropije.

Međutim,  Rener ističe: „Ovo ne znači da možemo da razvijemo perpetual mobile mašinu.“ To bi bila mašina iz snova koja bi proizvodila više energije nego što potroši, ili bi proizvodila koristan rad u beskonačnost, kada se jednom pokrene. U primeru sa brisanjem, podaci bi bili obrisani samo jednom, tako da nema mogućnosti da se dalje proizvodi energija. Sam proces, takođe, uništava kvantno vezivanje, i potreban je unos energije da bi se stanje sistema vratilo na početno. Jednačine koje opisuju ovaj proces su u saglasnosti sa drugim zakonom termodinamike: idja o tome da entropija univerzuma se ne može smanjivati, nikada. Vedral ističe: „U našoj studiji, operišemo na samoj granici drugog zakona. Ako krenemo dalje, prekršićemo ga.“

Osnovne pronalaska

Ova nova naučna istraživanja o entropiji mogu imati primene i van proračuna toplote koju kompjuteri proizvedu. Na primer, metode razvijene unutar informatičke teorije (one koje se tiču entropije) mogu dovesti do inovacija u termodinamici. Ovo bi predstavljalo svojevrsnu sinergiju između dve naučne discipline, koje na prvi pogled nemaju puno zajedničkog. Veza između dva koncepta je osnovna, fundamentalna.

Vreme će pokazati da li je ovaj put razmatranje entropije svojevrsni naučni pomak ili samo još jedna od naučnih stramputica. Jedno je sigurno: konačni rezultat ovakvog istraživanja možemo očekivati za vreme jednog životnoga doba. To je, i dalje, dovoljno vremena da se neko seti još boljeg načina da se kompjuteri hlade tokom njihovog rada, pa će ova kvantno mehanička varijanta postati – nepotrebna.