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.

Kvantni efekt vidljiv golim okom

Na prvi pogled zvuči vrlo zanimljivo i novo: prilikom eksperimenta, ispitivanja kvantnih efekata, umesto mehaničkih ili bilo kojih drugih detektora, korišćeno je ljudsko oko! Kvatni efekti se dešavaju na nivou atoma i na nivou sitnijih pod česetica, stoga… Kako su išta mogli da vide?

Nicolas Gisin, fizičar sa univerziteta u Ženevi, Švajcarska, smislio je novi test koji bi omogućio ljudkom oku da detektuje, primeti znake vezanih fotona (photon entanglment).

Zarad jasnosti, objasnimo šta to tačno znači. Fotoni, kao čestice (pridaje im se čestično-talsna priroda, ali mi ih ovde tretiramo kao da su čestice) mogu imati nekoliko osobina, ali najvažnije među njima su spin i polarizacija. Barem, za opis ovog efekta. Dva fotona koji imaju iste osobine (isti spin i polarizaciju) pokazuju zanimljivo ponšanje bez obzira na distancu koja ih deli. Kada izvršite merenje nad jednim fotonom, tada se momentalno dešava promena parametara, osobina drugog fotona koji je uparen sa prvim. Da bi ovo imalo smisla treba napomenuti da: merenje kvantnih efekata podrazumeva promenu osobina merenog subjekta. Da, iskustva iz makro sveta ne važe u mikro svetu. Znači, ova miskorskopska pojva je postala vidljiva i za ljudsko oko. Zvuči vrlo neverovatno…

Gisin i njegove kolege su, ustvari, bile inspirisane jednim starijim eksperimentom koji je obavio Fabio Šiarino (Fabio Sciarrino) i njegov tim na rimskom univerzitetu La Sapienza (Saznanje) u Italiji, još 2008. godine. Uglavnom, kada se fizičari bave vezanim fotonima, oni se bave manjim brojem njih u isto vreme. Rimski eksperiment je posmatrao dva vezana fotona i jedan od njih je “pojačan”, tako što je iskorišćen da se napravi cela lavina fotona (na stotine hiljada) koji imaju njegovo originalno stanje. Naizgled, ova kaskada fotona predstavljaju dovoljno jasnu vizuelizaciju kvantnog efekta vezanih fotona.

Do toga zaključka je Gisin odmah došao i pokušao je da to i pokaže, sprovede kroz svoju adaptaciju eksperimenta. Dok je italijanski ogled koristio uređaje za detekciju, dotle je švajcarski koristio same eksperimentatore, tačnije njihove oči.

Rezultat – naučnici sede u mraku svoje laboratorije, iščekujući svetlosnu potvrdu eksprimenta kome su dali da se stalno ponavlja. I da.. bi svetlost. Na taj našin kvantni efekat je postao vidljiv za ljudsko oko, prvi put u istoriji.

Naravno, ovo nije samo sedenje i piljenje u mrak. Korišćen je Bell test da bi se pokazala identičnost u polarizaciji i spinu, tačnije da su fotoni vezani. Dobijen je pozitivan rezultat, da su foton 1 i lavina fotona od fotona 2 u vezanom paru, svi sa istim osobinama (spin i polarizacija).

Gisin je imao, samo, zamerku da “su standardni detektori, ipak, brži i pouzdaniji i nisu se žalili na zamor.” Kada je neko nezadovoljan, onda je nezadovoljan…

Znači, to je bilo neko svojevrsno mikro-makro vezivanje fotona. Međutim, Gisin je sumnjao u verodostojnost Bellovog testa za makroskopske objekte. Pre nego što je ponovio eksperimet on je odlučio da tesira foton 2 sa Bellovim testom pre nego što napravi lavinu od njega. Prema već pomenutom principu merenja u kvantnoj mehanici, ovo merenje bi poremetilo spin i polaritet fotona 2 i lavina nastala od njega ne bi imala iste parametre kao foton 1. Potonji test nastale lavine ne bi dao poklapanje sa spinom i polarizaciojm fotona 1. Naravno, test je opet bio pozitivan, foton 1 i lavina su delili iste osobine.

Za “pozitivno” pogrešan rezultat nije razlog u prirodi detektora nego u urođenoj nesavršenosti bilo kog detektora, tačnije nivou osteljivosti koji predstavlja svojversnu “rupu”, kroz koju prođu određeni fotoni, a da ne budu detektovani. Kada se bavite malim brojem čestica, fotona, to ne dolazi toliko do izražaja, ali što je veči broj u uzorku, to je uticaj ovog nedostatka veći, do nivoa, da se konačni rezultat merenja znatno menja.

Cela ova kvantna priča još jednom potvrđuje pradavni problem kod izovđenja eksperimenata. Ne poznavanje svih uslova pod kojima se izvodi ogled, može dovesti do pogrešnih zakljuačka. Pogrešno može dovesti do zabluda, a zabulde do novih problema. U ovom slučaju, još jednom je potvrđeno vezivanje fotona na mikro nivou, ali to isto vezivanje na relaciji mikro-makro nivou nije potvrđeno, jer će Bell test uvek davati potvrdni rezultat.

Sciarrino i njegov tim su već neko vreme svesni da je njihov eksperiment mogao imati neki nedostatak u samoj postavci. Zbog toga, već neko vreme rade na preradi svog osnovnog eksperimenta, gde neće biti korišćeno ljudsko oko kao dektor – laser za amplifikaciju signala bi mogao da ga sprži.

Primene kvantnog ekfekta vezivanja fotona postoje, i najupečatljivija od njih je kod kompjuterskih mikro čipova. Bez dubljeg ulaženja u konkretnu primenu, ovaj eferkat omogućava da čipovi budu upola manji od onoga što se nekada smatralo fizičkim ograničenjem. Procenjuje se da to nije kraj mogućnosti i da čipovi mogu biti još više minjaturizovani zbog ovog efekta. Teoretski, naravno…

Do nedavno se smatralo da je, zahvaljujući ovom efektu, možda, moguća trenutna komunikacija, jer sama pojava ne trpi bilo kakvo kašnjenje u prenosu, bez obzira na rastojanje. Na žalost, trenutna komunikacija i dalje nije moguća, ali prakatični aspekti vezanosti fotona se i dalje ispituju, i mahom se mogu primeniti u razvoju kompjutera.