Die Physik des Vergessens
Im Jahr 1961 argumentierte der Physiker Rolf Landauer, dass das Zurücksetzen eines Bits an Information in einem Computerspeicher – zum Beispiel, um eine binäre Ziffer auf Null zu setzen – zwangsläufig durch die Erzeugung von Wärme begleitet wird. Dieses Prinzip stellt eine Brücke zwischen Informationstheorie und Physik dar. Das Landauer-Prinzip wirft Licht auf einige Probleme der Informationsverarbeitung. Es impliziert eine Grenze dafür, wie niedrig die Energiedissipation und damit der Energieverbrauch eines Computers sein kann. Diese Untergrenze bildete den Schwerpunkt der Studie QUANTUMLANDAUER (Beating Landauer's limit in the quantum regime). Im Laufe des Projekts erkundeten die Physiker möglich Abweichungen vom Landauer-Rahmen, die eine energieeffizientere Informationslöschung ermöglichen würden. Sie näherten sich dem Problem der unvermeidbaren Wärmeabfuhr aus einer probabilistischen Perspektive. Innerhalb des Landauers-Rahmens beruht die Informationslöschung auf der Wechselwirkung zwischen einem Objekt und einem Wärmespeicher. Dies führt immer zu einer minimalen abgeführten Wärmemenge, die proportional zur Entropie-Verringerung durch das Objekt ist. Allerdings wird diese untere Grenze nur in bestimmten Situationen erreicht. Darüber hinaus ist es nicht für jeden gegebenen Wärmespeicher erreichbar. Um die erreichbare minimale Wärmeableitung zu bestimmen, optimierten die Physiker explizit alle möglichen Operatoren in dem Verbundsystem von Objekt und Speicher. Darüber hinaus fand das Team von QUANTUMLANDAUER einen Weg, um die Energiemenge, die als Wärme zu einem Wärmespeicher übertragen wird, zu minimieren. Dies gilt für den Fall, dass die Wahrscheinlichkeit für die Schaffung eines Objekts in einem reinen Zustand kleiner ist als die maximale Wahrscheinlichkeit der Informationslöschung. Mithilfe von Werkzeugen aus der Theorie der Majorisierung charakterisierten die Physiker die Äquivalenzklasse der Operatoren, die die Wahrscheinlichkeit der Datenlöschung auf den gewünschten Wert bringen. Ferner zeigten sie den Kompromiss zwischen der maximalen Wahrscheinlichkeit der Informationslöschung und der minimalen Wärmeabfuhr. Die Wärmeableitung in Computerchips behindert ihre Miniaturisierung. In Quantencomputern, die die Gesetze der Quantenphysik ausnutzen, um eine größere Rechenleistung zu erreichen, nähert man sich bereits der Landauer-Grenze. Die Erkenntnisse von QUANTUMLANDAUER, die im New Journal of Physics veröffentlicht wurden, kamen daher zur rechten Zeit.
Schlüsselbegriffe
Landauer-Prinzip, Quantenberechnung, Informationsverarbeitung, QUANTUMLANDAUER, Informationslöschung
