Unutmanın Kuantum Fiziği:Bilgi Silmenin Enerji Bedeli Hesaplandı
TU Wien ve FU Berlin’deki araştırmacılar, kuantum fiziği, termodinamik ve bilgi teorisi arasındaki derin bağlantılara yeni bir ışık tutarak, kuantum bilgisi kaybolduğunda ne olduğunu ilk kez ölçtüler.
İlk bakışta, ısı ve bilgi tamamen ilgisiz fikirler gibi görünür. Isı ve enerji, fiziğin en önemli alanlarından biri olan termodinamiğin temel taşlarıdır. Buna karşın bilgi teorisi, verilerin nasıl depolandığını ve iletildiğini araştıran matematiksel bir alandır.
Ancak 1960’larda fizikçi Rolf Landauer cesur bir iddiada bulundu: Bilgiyi silmenin her zaman enerji olarak bir maliyeti vardır. Aslında, bir depolama cihazından her veri sildiğinizde, çevreye az miktarda ısı yayılır. Landauer İlkesi olarak bilinen bu fikir, termodinamik ve bilgi bilimi arasında derin bir bağlantı olduğunu ortaya koydu.
Şimdi TU Wien’deki bilim insanları bunu bir adım öteye taşıdı. İlk kez, bu etkiyi birçok parçacıktan oluşan karmaşık kuantum sistemlerinde ölçtüler. Deneyleri, bir kuantum sistemi bilgi kaybettiğinde, durumunu “unuttuğunda”, çevresine ölçülebilir bir enerji ve entropi transferi olduğunu gösteriyor.
Silme işlemi enerjiye mal olur
“Landauer prensibi olarak adlandırılan prensip, bilgi silmenin asla ücretsiz olmadığını belirtir,” diyor Viyana Teknik Üniversitesi Atom Enstitüsü’nden Prof. “Bilgiyi nasıl saklarsanız saklayın, ne kadar ekonomik ve verimli olursanız olun, bir parça bilginin silinmesi her zaman en azından entropide belirli bir artışa ve dolayısıyla enerji kaybına neden olur.” Bu ilke kuantum bilgisayarlarda önemli bir rol oynamakta ve kuantum fiziğine dayalı bilgi işleme için temel sınırları belirlemektedir.
Ama şimdi asıl soru şu: Fiziksel anlamda ‘silmek’ ya da ‘unutmak’ ne anlama geliyor? Sonuçta bilgi pek çok farklı şekilde kaybolabilir. Kurşun kalemle yazılmış bilgileri silebilirsiniz. Manyetik veri taşıyıcılarının manyetikliğini giderebilirsiniz. Ama şunu da sorabilirsiniz: Fiziksel bir sistem de sadece zamanın geçmesiyle bilgiyi unutmaz mı?
Tersinir ve tersinmez fizik
Gelecekteki durumları mevcut durumlarından net ve öngörülebilir bir şekilde takip eden fiziksel sistemler vardır. Örneğin, tüm gezegenlerin konumlarını ve hızlarını biliyorsanız, gezegenlerin üç ay sonra nerede olacaklarını veya üç ay önce nerede olduklarını büyük bir hassasiyetle hesaplayabilirsiniz. Bu, hiçbir bilginin kaybolmadığı anlamına gelir. Hiçbir veri silinmemiştir. Sistemin mevcut durumunda, önceki durum belli bir anlamda hala saklanmaktadır. Prensip olarak yeniden yapılandırılabilir.
Kuantum fiziğinde de prensipte durum böyledir – ancak kuantum sistemi çevresiyle temas edene kadar. Örneğin bir kuantum parçacığının durumunu ölçtüğünüzde, onu kaçınılmaz olarak bir ölçüm cihazıyla temas ettirirsiniz. Bilgi kuantum parçacığından ölçüm cihazına aktarılır ve parçacığın durumunu geri döndürülemeyecek şekilde değiştirir. Bilgi, parçacıktan çevreye geri döndürülemez tek yönlü bir süreçle sızar.
Ultra soğuk atom bulutları
TU Wien’de bu olgu ultra soğuk atom bulutları kullanılarak araştırılmıştır. Birkaç bin rubidyum atomu soğutuldu ve bir atom çipi üzerinde yerinde tutuldu. Daha sonra, aniden, bu tür iki atom bulutu düşürülerek serbestçe yayılmalarına ve birbirleriyle örtüşmelerine izin verildi. Deneyleri gerçekleştiren Amin Tajik, “Şimdi tüm sistemi iki parçaya bölüyoruz” diyor. “Bir kısım, analiz ettiğimiz kuantum sistemimiz olarak hizmet ediyor. Geri kalanı ise çevre olarak tanımlanıyor – alt sistemimizin etkileşimde bulunduğu çevre.”
İki atom bulutu arasındaki etkileşimi hassas bir şekilde ölçerek, alt sistemin çevresiyle nasıl etkileşime girdiğini, bilginin nasıl kaybolduğunu ve entropinin nasıl aktarıldığını görmek artık mümkün. FU Berlin’de teorisyen olan ve gözlemlenen fenomeni modelleyen ve enerji ile bilgi akışları arasındaki bağlantıyı ölçen teorisyenlerle yakın uluslararası işbirliği içinde çalışan teori ekibinin üyesi Stefan Aimet, “Bu değişkenleri aynı anda doğrudan kaydedebilen bir ölçüm cihazı yok” diyor.
Detaylı bir analiz, bu karmaşık çok parçacıklı sistemin bile Rolf Landauer’in kurallarına uyduğunu gösterdi. Kuantum bilgisinin silinmesine gerçekten de entropi transferi ve enerji kaybı eşlik etmektedir.
FU Berlin’deki teori grubunun başkanı Jens Eisert, “Bu, bilgi ve kuantum fiziğinin gerçekten de Rolf Landauer’in düşündüğü gibi heyecan verici ve derin bir şekilde iç içe geçtiğinin önemli bir kanıtıdır” diyor.
“Bu aynı zamanda bizi kuantum fiziğinin en temel sorularından birini anlamaya yaklaştırıyor. Bu çalışmayı özellikle heyecan verici kılan şey, bilgi ve ısıyla ilgili olarak Landauer ilkesinin doğrudan kapsamadığı içgörülerdir, çünkü bu zaten geçerli bir teoremdir. Ancak ultra soğuk atomlardan oluşan bu platform, kuantum teknolojileri için de önemli olacak ölçüm süreciyle ilgili bu tür derin soruları niceliksel olarak keşfetmemizi sağlıyor.”
Kaynak: https://scitechdaily.com