Тепло и информация — на первый взгляд, у них нет ничего общего. Тепло связано с энергией, это основа термодинамики, одной из главных областей физики. Информация же кажется чистой математикой. Но еще в 1960-х физик Рольф Ландауэр доказал: стереть данные невозможно без выделения энергии. Каждое удаление бита информации неизбежно приводит к потере тепла.

Сейчас эту связь исследуют в квантовых системах. Ученые из Венского технического университета впервые измерили, как многочастичные квантовые системы «забывают» свое состояние, и подсчитали энергетические потери. Оказалось, Ландауэр был прав: стирание информации всегда требует энергии.

Результаты опубликованы в издании Nature Physics.

Почему удаление не бывает бесплатным

Любая информация оставляет след, — объясняет профессор Йорг Шмидмайер. — Можно записывать данные карандашом, намагничивать диск или хранить в квантовых битах, но стереть их без потерь не получится.

Это важно для квантовых компьютеров — их эффективность упирается в фундаментальные ограничения.

Но что значит «стереть»? В классической физике некоторые процессы обратимы. Например, зная положение планет сегодня, можно вычислить, где они были вчера. Никакая информация не теряется. В квантовом мире все сложнее.

Достаточно измерить состояние частицы — и часть данных утечет в окружающую среду безвозвратно.

Как считали потери

Эксперимент провели на облаках ультрахолодных атомов рубидия. Их удерживали на чипе, затем отпускали, позволяя расширяться и пересекаться.

Ученые разделили систему на две части: одну изучали, другую считали «окружающей средой».

Мы наблюдали, как информация утекает из системы, — говорит Амин Таджик, проводивший эксперименты.

Измеряя интерференцию атомных облаков, удалось точно определить, сколько энергии теряется при «забывании».

Даже в сложных многочастичных системах правило Ландауэра работает: чем больше информации стирается, тем больше энергии рассеивается.

Это подтверждает глубинную связь между информацией и квантовой физикой, — говорит Йенс Айзерт из Свободного университета Берлина.

Этот эксперимент — шаг к пониманию фундаментальных ограничений квантовых вычислений. Если мы научимся точно измерять потери энергии при обработке информации, то сможем:

• Оптимизировать квантовые алгоритмы, снижая энергопотребление.
• Разрабатывать более стабильные квантовые памяти.
• Лучше понимать термодинамику микромира, что важно для нанотехнологий.

Отметим, что эксперимент проводился в идеализированных условиях — с ультрахолодными атомами в вакууме. В реальных квантовых процессорах есть шумы, помехи, тепловые флуктуации. Пока неясно, насколько точно результаты переносятся на практические системы.

Ранее ученые разработали способ снижения трения без смазки и потери энергии.