(Phys.org)—Alcuni anni fa, i fisici hanno dimostrato che è possibile cancellare le informazioni senza utilizzare energia, in contrasto con l'ipotesi all'epoca che la cancellazione delle informazioni richiedesse energia. Anziché, gli scienziati hanno dimostrato che il costo della cancellazione potrebbe essere pagato in termini di una quantità fisica arbitraria come il momento angolare di spin, suggerendo che l'energia termica non è l'unica quantità conservata in termodinamica.

Indagando ulteriormente su questa idea, i fisici Toshio Croucher, Salil Bedkihal, e Joan A. Vaccaro al Center for Quantum Dynamics, Università Griffith, Brisbane, Queensland, Australia, ora hanno scoperto alcuni risultati interessanti sulle piccole fluttuazioni nel costo di rotazione della cancellazione delle informazioni. Il lavoro potrebbe portare allo sviluppo di nuovi tipi di motori termici e dispositivi di elaborazione delle informazioni.

Come spiegano gli scienziati in un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , la possibilità che l'informazione possa essere cancellata a costo energetico zero è inizialmente sorprendente per il fatto che energia ed entropia sono così strettamente correlate in termodinamica. Nel contesto dell'informazione, la cancellazione delle informazioni corrisponde alla cancellazione dell'entropia (o una diminuzione dell'entropia) e quindi richiede una quantità minima di energia, che è determinato dal principio di cancellazione di Landauer.

Poiché il principio di cancellazione di Landauer è equivalente alla seconda legge della termodinamica, lo schema di cancellazione a energia zero che utilizza quantità conservate arbitrarie può essere pensato come una seconda legge generalizzata della termodinamica. Questa idea risale almeno al 1957, quando E.T. Jaynes propose un'alternativa alla seconda legge in cui l'energia termica è pensata in modo più generale del solito, in modo che il calore incorpori altri tipi di quantità conservate.

Applicando questo quadro alla cancellazione delle informazioni, nel 2011 Vaccaro e Stephen Barnett hanno dimostrato che il costo energetico della cancellazione delle informazioni può essere sostituito con una o più quantità conservate diverse, in particolare, momento angolare di spin.

Una differenza importante tra energia termica e momento angolare di spin è che, mentre il calore può o non può essere quantizzato, il momento angolare di spin è una proprietà intrinsecamente meccanica quantistica, e quindi è sempre quantizzato. Ciò ha implicazioni quando si tratta di tenere conto di piccole fluttuazioni in queste quantità che diventano significative quando si progettano sistemi su scala nanometrica.

Gli scienziati hanno studiato solo di recente queste fluttuazioni nel contesto del principio di Landauer, dove hanno scoperto che queste fluttuazioni vengono rapidamente soppresse da qualcosa chiamato l'uguaglianza di Jarzynski. Ciò significa che le fluttuazioni dell'energia termica hanno solo una minima probabilità di violare il principio di Landauer.

Nel nuovo studio, gli scienziati hanno studiato per la prima volta le corrispondenti fluttuazioni discrete che si verificano quando si cancellano le informazioni usando lo spin.

Tra i loro risultati, i ricercatori hanno scoperto che le fluttuazioni discrete vengono soppresse anche più rapidamente di quanto previsto dal corrispondente Uguaglianza di Jarzynski per "spinlabor", un nuovo termine ideato dagli scienziati che indica l'equivalente di spin del lavoro. Questa è la prima prova del superamento di questo limite in un contesto di cancellazione delle informazioni. La soppressione rapida significa che le fluttuazioni hanno una probabilità estremamente bassa di utilizzare meno del costo minimo richiesto per cancellare le informazioni utilizzando lo spin, come indicato dal vincolo Vaccaro-Barnett, che è l'equivalente di spin del principio di Landauer.

"Il nostro lavoro generalizza le relazioni di fluttuazione per la cancellazione utilizzando quantità conservate arbitrarie ed espone il ruolo della discrezione nel contesto della cancellazione, "Bedkihal ha detto Phys.org . "Abbiamo anche ottenuto un limite di probabilità di violazione che è più stretto del corrispondente limite di Jarzynski. Questo è un risultato statisticamente significativo".

Gli scienziati sottolineano anche che questo processo di cancellazione delle informazioni con lo spin è già stato dimostrato sperimentalmente, anche se sembra essere passato inosservato. Nel pompaggio ottico a scambio di spin, la luce viene utilizzata per eccitare gli elettroni in un atomo a un livello di energia più elevato. Affinché gli elettroni ritornino al loro livello energetico inferiore durante il processo di rilassamento, atomi e nuclei si scontrano e si scambiano spin. Questo processo di riduzione dell'entropia può essere considerato analogo alla cancellazione di informazioni al costo di uno scambio di spin.

Globale, i nuovi risultati rivelano informazioni sulla termodinamica dello spin e potrebbero anche guidare lo sviluppo di applicazioni future. Questi potrebbero includere nuovi tipi di motori termici e dispositivi di elaborazione delle informazioni basati sulla cancellazione che utilizzano poco, risorse disponibili localmente come il momento angolare di spin. I ricercatori intendono perseguire ulteriormente queste possibilità in futuro.

"Il meccanismo di cancellazione può essere utilizzato per progettare motori termici generalizzati che operano sotto i serbatoi di più quantità conservate come un serbatoio termico e un serbatoio di rotazione, " Bedkihal ha detto. "Per esempio, si possono progettare motori termici utilizzando sistemi di punti quantici a semiconduttore in cui le vibrazioni reticolari costituiscono un serbatoio termico e gli spin nucleari costituiscono un serbatoio di spin polarizzato. Tali motori termici vanno oltre il tradizionale motore termico di Carnot che opera sotto due serbatoi termici."

© 2017 Phys.org