计算士的头脑风暴
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量子纠缠中的“熵”可同时描述信息论和热力学(转)
2012-2-5 0:02:01    热力学  信息论  纠缠  量子 

计算机工作时,它们消耗的能量最终变成了热。从放置膝盖的便携电脑到屋子里的超大计算机,人们都能感到它们在散热。这些热并非全都由硬件的运作所产生,处理信息也要耗费能量而发热。但令人惊讶的是,理论物理学家最近发现,在特定情况下,计算过程不仅不会发热,甚至还会制冷。他们的研究发表在最新一期的《自然》杂志上。

  删除信息或能制冷

  最近,瑞士苏黎世联邦理工学院教授雷纳托•雷内和新加坡国立大学与英国牛津大学量子技术中心韦拉科•维德罗共同进行了一项研究,证明了在量子纠缠状态下删除数据,反而会出现致冷效果。利用这一点,有望给超大计算机的运转发热降温。

  "虽然我们能在量子水平实现这种控制,但在超大计算机上能否实现还是个巨大挑战,但也并非不可能,过去20年里量子技术已经取得了巨大进步。"维德罗表示,根据目前量子物理实验室的技术,用几个比特的数据进行理论性证明的实验还是可能的。

  量子纠缠扭曲兰道尔原理

  物理学家罗尔夫•兰道尔在1961年计算出,在删除信息过程中要消耗能量,并以热的形式释放出来。而计算机每秒钟要进行大量的数学运算,按兰道尔原理意味着将产生大量的热。虽然在目前的超大计算机中,硬件运转产生的热量太过明显掩盖了这种兰道尔"删除热",但雷内认为,在下个10年到20年,"删除热"将变得更关键。理论上讲,删除10兆兆数据产生的热量还不到1焦耳,但如果每秒都要大量地重复这一删除过程的话,热量就会逐渐积累起来。

  如果要删除的比特值是已知的,也就是说当存储的内容是已知的,就是以一种理论上能再生的方式来删除这些数据内容,按照兰道尔原理这是可能的。而此前有研究证明这种可逆删除不会产生热。

  更进一步考虑,当要删除的数据内容和观察者处于量子纠缠的状态,那么观察者在删除这些数据时,就能从系统中吸收热量。量子纠缠将观察者的状态和计算机的状态联在了一起。在这种方式下,他们知道的存储内容比在经典物理学中更多。

  两门学科"熵"相通

  在很大范围上,"熵"的含义在"信息论"和"热力学"两门学科中互相独立。在信息论中,熵用来衡量信息密度的平均信息量,比如可以用它来描述一条数据经最佳压缩后所占的存储容量。而在热力学中,熵描述了系统的混乱程度,如气体中的分子排列,熵值增加相当于热能增加。

  雷内说:"而我们同时面对着这两种情况。即在量子力学的理论框架下,熵的概念同时描述了这二者。看起来两个熵的公式是一样的,人们也假定它们之间有关联。按照我们的研究,在两种情况下,熵可以看作是一种相对的‘知识贫乏'态。在测量这种熵的时候要秉承一个宗旨,即物体本身从本质上说并没有一定数量的熵,物体的熵总是依赖于观察者。"

  还以删除数据为例,如果两个人分别删除一个内存中的数据,其中一人对这些数据知道的更多,她会觉得这个内存的熵更低,删除该内存所用的能量更少。在经典物理中,一个系统的理想状态是观察者认为它的熵是零,这表示观察者记忆的内容和系统内存中的内容完全一致,这才符合经典物理学。由于量子相关比经典相关更强,在量子纠缠中给了观察者多于整体系统的更多知识,导致了熵值小于零。

  不发会热反能制冷

  熵在量子物理学中有着不寻常的性质。但从信息论角度来计算时,人们往往忽略了这一点。虽然理论物理学家在计算中已经使用了负熵,却并不理解它在热力学中或实验中的含义。

  在经典物理的例子中,计算机内存是零熵,删除数据在理论上根本不需要耗能。而在量子纠缠和记忆(负熵)造成的"多出知识",导致在删除数据的过程中,伴随着从计算机中清除了它因耗能而释放的热量。这正是负熵的物理含义。

  尽管如此,"这并不意味着我们能开发出一种永动机"。雷内强调,数据只能被删除一次,所以不可能持续产生能量。而这一过程也破坏了纠缠,会带来能量输入将系统重置为初始状态。这并没有违背热力学第二定律,也就是说宇宙中的熵不会减少(不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零)。"我们正处在第二定律的边缘,如果你再进一步,就会打破它。" 维德罗说。

  熵的概念在热力学和信息论中虽不相同,却基本相通。它的用途远不止于计算电脑的发热量。比如,人们在信息论中处理熵的方法,很可能导致热力学的革新。

英文原文见Science Daily

中文原文见这里 

 

2012-2-5 12:16:40
  

有个问题,不考虑机器的特性,删除信息一定会带来热量?(纠结态和“知识”存在的情况下)  

信息熵和热力学熵的耦合度这么强?




>计算士在量子纠缠中的“熵”可同时描述信息论和热力学(转)中写道:
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计算机工作时,它们消耗的能量最终变成了热。从放置膝盖的便携电脑到屋子里的超大计算机,人们都能感到它们在散热。这些热并非全都由硬件的运作所产生,处理信息也要耗费能量而发热。但令人惊讶的是,理论......

 

2012-2-5 13:22:45
   新年好!2012第一贴,呵呵。“物体的熵总是依赖于观察者”,“在量子纠缠中给了观察者多于整体系统的更多知识,导致了熵值小于零。”如改变纠缠粒子其一的状态,热力学熵和信息熵都与经典状态相异。这里可能涉及到更本质的问题,依赖于独立变量(事件)化的“概率神话”的基础,如量子的动量和位置,矢量化后,在希尔伯特空间中可纯粹由复数“包裹”下的时间(以及时间化的频率)作为唯一的变化因子来刻画系统的态。以此为出发点,实际上,我们可以从数学上来构造动量和位置在新系统的相关性,那么在与量子理论的形式体系一致的原则下,可以得到可能包含“主观熵”的一些有趣结论。

 

2012-2-5 15:47:50
  

如文中所述,条件是要删除的数据内容和观察者处于量子纠缠的状态。

是的。也许它们本来就是一个东西,只不过引入量子后更明显了。 


>zyx1st在回复:量子纠缠中的“熵”可同时描述信息论和热力学(转)中写道:
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有个问题,不考虑机器的特性,删除信息一定会带来热量?(纠结态和“知识”存在的情况下)  

信息熵和热力学熵的耦合度这么强?

 

 

2012-2-5 15:48:18
   好久不见啊。黄兄最近如何?


>黄淼鑫在回复:量子纠缠中的“熵”可同时描述信息论和热力学(转)中写道:
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新年好!2012第一贴,呵呵。“物体的熵总是依赖于观察者”,“在量子纠缠中给了观察者多于整体系统的更多知识,导致了熵值小于零。”如改变纠缠粒子其一的状态......

 

2012-2-6 0:04:44
  

很好,忙于我的IT工作,谢谢关心。IT稍深一点就是计算机科学,再广泛一些,就是数字世界;怀疑并探寻自我,便是数字化宗教。都在一条线上,很愉快。你快毕业了吧,对于大脑而言,学生的校园算法与工作后的算法,差别较大,软件准备升级吧,呵呵。

2012-2-6 20:50:36
  

元宵节读到这篇文章很高兴,你也开始关注量子了?

我之所以关注量子,是因为我一直把它看作一种描述系统和观察者相互作用的抽象数学结构。这种抽象数学结构描述的是比我们看到的经典比特信息更多的东西,那就是所谓的依赖于观察者的语义。一段比特Pattern,它的意义的解读是依赖于观察者的,但它在被解读之前就是一段比特码,它的意义出现在解读(观察)的一瞬间,这自然能够引入量子数学结构。即,在被测量前,这段比特处于量子叠加态。解读之后踏缩成了经典信息。这个过程也是文中所说的信息转化过程,即一个无意义无信息的Pattern被观察者解读,变成了观察者获取的一段信息,而与此同时,观察者也损失了对于这个比特的细节信息。我觉得量子信息理论应该是讲这些事的,但好像现在的量子信息并不是这样。

>计算士在量子纠缠中的“熵”可同时描述信息论和热力学(转)中写道:
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计算机工作时,它们消耗的能量最终变成了热。从放置膝盖的便携电脑到屋子里的超大计算机,人们都能感到它们在散热。这些热并非全都由硬件的运作所产生,处理信息也要耗费能量而发热。但令人惊讶的是,理论......

 

2012-2-6 22:26:50
  

量子信息相关理论的背景一般是以通信为出发点的,那波人大多数不会对你感兴趣的问题感兴趣。

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