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    在傳統(tǒng)意義上，清除信息的過(guò)程需要消耗能量，更準(zhǔn)確地說(shuō)是一種熱耗散。1961年，羅爾夫·朗道提出，清除一個(gè)比特的信息只需要少許能量，比如將一個(gè)比特變成邏輯零值狀態(tài)，所需的能量相對(duì)于系統(tǒng)的熱庫(kù)溫度而言，是一個(gè)正值，這可以看做是系統(tǒng)的熱動(dòng)力熵。因此，這些熵被認(rèn)為是清除一個(gè)比特信息量所需要的最基本能耗。   

    但最新研究顯示，清除信息而無(wú)需任何能耗理論上可以實(shí)現(xiàn)，信息清除成本可由另外一種存儲(chǔ)體系如自旋角動(dòng)量來(lái)支付。研究人員澳大利亞昆士蘭格里菲斯大學(xué)的瓊·瓦卡羅和英國(guó)斯特拉斯克萊德大學(xué)的斯蒂芬·巴尼特在發(fā)表于最近出版的英國(guó)《皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊A輯》論文中，定量地描繪了如何在零能耗條件下清除信息。

    拓展的庫(kù)存系統(tǒng)

    要實(shí)現(xiàn)零能耗清除信息，必須用到能量以外的另一種庫(kù)存系統(tǒng)，就是亞原子粒子的自旋角動(dòng)量。瓦卡羅和巴尼特證明了使用這種系統(tǒng)，可以將能量成本完全避免。   

    亞原子粒子都有自旋角動(dòng)量，其數(shù)量描述就好像能量一樣，必須被存儲(chǔ)起來(lái)，但它和熱量不同。熱量是一個(gè)量子比特和熱庫(kù)之間交換，而角動(dòng)量是單個(gè)量子在一個(gè)量子比特和自旋儲(chǔ)存庫(kù)之間交換。研究人員描述了如何從零狀態(tài)開始，在量子比特自旋和再次自旋之間通過(guò)重復(fù)的邏輯操作，最終使兩次自旋都達(dá)到邏輯零值狀態(tài)。最重要的是，他們證明了在使用自旋角動(dòng)量而不是能量的系統(tǒng)中，由于定義的邏輯狀態(tài)數(shù)值，清除量子記憶的成本已經(jīng)得到了補(bǔ)償。對(duì)這一一開始惹人爭(zhēng)議的假設(shè)給出了合情合理的解釋。   

    研究人員解釋說(shuō)，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)方案是很困難的。盡管如此，他們的結(jié)果顯示了，物理定律并不排斥零能耗清除信息，這跟以前的研究相矛盾。研究人員指出，在實(shí)踐中，要保證系統(tǒng)的能量簡(jiǎn)并尤其困難。能量簡(jiǎn)并是具有不同自旋狀態(tài)的量子比特和儲(chǔ)存庫(kù)，形成相同的能級(jí)。但即使條件不完美導(dǎo)致了某些能量損失，也沒(méi)什么原因能造成朗道方程所預(yù)測(cè)的那么大成本。

    麥克斯韋妖做功

    清除信息而無(wú)需耗能，多種領(lǐng)域都有這樣的可能，一個(gè)例子就是“麥克斯韋妖佯謬”。麥克斯韋妖的例子提供了一種違反熱力學(xué)第二定律的方式，其假設(shè)一個(gè)精靈在絕熱容器中提取熱量，將所有的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。絕熱容器被分成相等的兩格，中間是一扇活板門，容器中的空氣分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)撞擊門，精靈可以選擇打開或關(guān)閉活門，將速度較快的分子（溫度較高）放入左邊格子，將速度較慢的分子（溫度較低）放入右邊，這樣左右兩格的溫度就會(huì)一高一低。麥克斯韋認(rèn)為，整個(gè)過(guò)程中使用的能量就是“分子是熱的還是冷的”這一信息。

    1982年，班尼特對(duì)這一佯謬的解決是，精靈的記憶必須被清除以完成整個(gè)循環(huán)過(guò)程，這需要消耗能量。而瓦卡羅和巴尼特的論證結(jié)構(gòu)認(rèn)為，清除精靈的記憶可以無(wú)需耗能，而只需要換一種以自旋角動(dòng)量來(lái)計(jì)算成本的存儲(chǔ)庫(kù)。在這種設(shè)計(jì)中，精靈以另外的資源為成本，就能從一個(gè)儲(chǔ)熱庫(kù)中提取出所有的能量以作他用。   

    從絕熱容器中分揀分子可以分三步：第一步，精靈沒(méi)有記憶，儲(chǔ)熱箱中的氣體處于熱平衡狀態(tài)；第二步，精靈將儲(chǔ)熱箱分隔成兩部分，使用一種熱推動(dòng)操作工具將運(yùn)動(dòng)最快分子捕捉到右邊箱子，進(jìn)行分揀；第三步，用自旋存儲(chǔ)清除精靈記憶，使兩個(gè)分隔箱恢復(fù)平衡。   

    研究人員解釋說(shuō)，這一結(jié)果跟熱力學(xué)第二定律的經(jīng)典描述并不矛盾。熱力學(xué)第二定律只適用于熱能和熱庫(kù)，不適用于更寬泛類型的儲(chǔ)存庫(kù)。而且，麥克斯韋妖的例子表示了機(jī)械運(yùn)作可以實(shí)現(xiàn)零能耗，這種能量提取和整個(gè)系統(tǒng)的信息理論熵值增加有關(guān)。

    信息是物質(zhì)的

    “熵值最大化所遵守的條件，不僅適用于熱量存儲(chǔ)系統(tǒng)，還適用于能量守恒。”瓦卡羅說(shuō)，這一結(jié)果也能用于卡諾熱機(jī)假設(shè)，其運(yùn)作實(shí)現(xiàn)了效率最大化。如果這種機(jī)器使用角動(dòng)量?jī)?chǔ)存庫(kù)而不是熱庫(kù)，它將產(chǎn)生角動(dòng)量的效果而不是機(jī)械功。   

    但要在實(shí)踐中證明零能耗清除信息卻非常困難，瓦卡羅正在研究如何在原子和光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信息清除，但還需要進(jìn)一步證明它在實(shí)踐中是否有效。瓦卡羅補(bǔ)充說(shuō)：“目前，我們清除信息所需的能耗已接近朗道理論臨界值。這一研究的意義更多體現(xiàn)為基礎(chǔ)概念方面，還不能用于實(shí)際存儲(chǔ)設(shè)備。比如朗道認(rèn)為信息是物質(zhì)的，因?yàn)榍宄馁M(fèi)能量；而我們認(rèn)為，信息是物質(zhì)的，其原因要比以往的背景更深刻。”