Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки - Сет Ллойд

Принцип Ландауэра

Второе начало термодинамики гласит, что общая сумма информации никогда не уменьшается. Для нашего воздушного шарика это значит, что количество битов информации, записанной атомами гелия, не станет меньше, если воздушный шарик останется в состоянии покоя. Конечно, если мы охладим воздушный шарик, сожмем или проткнем его, количество битов, хранимых атомами гелия в нем, может уменьшиться – но только за счет увеличения числа битов, записанных атомами воздуха, окружающими воздушный шарик.

Информацию можно создать, но невозможно уничтожить. Воздействием на бит его значение можно инвертировать, то есть заменить противоположным или заставить бит «переключиться». Информация при этом трансформируется: 0 превращается в 1 и наоборот. И в то же время она сохраняется: если мы знаем, что до воздействия значение бита было 0, то мы знаем, что после «щелчка» его значение будет 1.

Существует, конечно, и стирание – это процесс, который уничтожает информацию. В процессе стирания бит с первоначальным значением 0 остается нулем, а бит со значением 1 превращается в 0. Стирание разрушает информацию, имевшуюся в этом бите. Но законы физики не допускают существования процесса, который просто стирает биты, и ничего больше. Любой процесс, который стирает бит в одном месте, должен перенести то же самое количество информации в какое-то другое место. Это называется принципом Ландауэра, по имени Рольфа Ландауэра, пионера физики информации, который и обнаружил его в начале 1960-х гг.

Чтобы увидеть принцип Ландауэра в действии, давайте посмотрим, как биты стираются в компьютерах. Как мы говорили во второй главе, в современном электронном компьютере биты хранятся в конденсаторе. Конденсатор – это ведро для электронов. Когда мы заряжаем конденсатор, то помещаем электроны в ведро; когда мы разряжаем его, то извлекаем электроны из ведра. В компьютере незаряженный конденсатор хранит 0, а заряженный конденсатор хранит 1.

Чтобы стереть бит в электронном компьютере, достаточно «вытряхнуть» ведро: замкнуть выключатель и позволить электронам, находящимся в конденсаторе, из него выйти. Если конденсатор разряжен, ведро пустое, и наш бит теперь имеет значение 0. Но теперь микросостояние электронов «помнит», был ли заряжен конденсатор или нет: выходя из конденсатора, электроны нагреваются! Такое изменение температуры остается указателем на начальное состояние конденсатора. Бит информации превратился в микроскопическое движение электронов.

Другой способ стереть бит состоит в том, чтобы поменять его с другим битом, имеющим значение 0. Однако передача информации между битами сохраняет ее: чтобы вернуть первоначальные значения битов, достаточно просто снова поменять их местами. В начале первый бит может иметь значение 0 или 1, и поэтому у него есть бит энтропии. Второй бит имеет значение 0; у него нет никакой энтропии. После того как биты поменялись местами, значение первого будет 0: либо он сохранил 0, либо была стерта 1. Но теперь второй имеет значение 0 или 1: у него есть бит энтропии – той же самой энтропии, которую имел первый бит в начале. Когда биты меняются местами, информации и энтропия перемещаются из одного места в другое, но общее количество информации остается постоянным. Такую передачу информации можно использовать для того, чтобы стереть бит в одном регистре, сохраняя копию бита в другом регистре. Возвращаясь к примеру конденсатора в компьютере, отметим, что разрядка, или стирание его бита, по сути, «заменяет» информацию, записанную в конденсаторе, информацией, запечатленной электронами.

Законы физики сохраняют информацию в процессе ее преобразования. На языке математики динамические законы физики для замкнутых физических систем гласят, что каждое исходное состояние переходит в одно и только одно результирующее состояние, а каждое результирующее состояние может возникнуть из одного и только одного исходного состояния. Таким образом, можно вернуться назад: если нам известно нынешнее физическое состояние системы, то, в принципе, следуя физической динамике этой системы, можно определить ее состояние в более ранний или в более поздний момент.

Например, если нам известно точное состояние атомов газа гелия в воздушном шарике в один момент времени и мы можем в деталях проследить динамику атомов, сталкивающихся друг с другом и с внутренней стороной оболочки воздушного шарика, то благодаря тому, что каждое состояние динамически развивается в полностью определенное следующее состояние, мы будем знать состояние атомов гелия в более поздние моменты времени. И наоборот, из-за того, что каждое состояние развивается из полностью определенного состояния, если нам известно состояние в настоящий момент и мы можем в деталях проследить динамику событий, можем определить и состояние в предыдущие моменты времени. Пусть состояние бита изменяется на противоположное, если мы знаем, каким оно было перед инверсией, то узнаем и то, каким оно будет после инверсии. Физическая динамика сохраняет информацию.

Именно это сохранение не позволяет тепловым механизмам, например паровым машинам или автомобильным двигателям, извлекать из теплоты всю энергию. В горячем газе много энергии, но и много битов; температура газа пропорциональна средней энергии на бит. В горячем газе больше энергии на бит, в холодном – меньше. Когда мы извлекаем тепловую энергию газа, например если этот газ давит на поршень, биты остаются. Движущийся поршень превращает тепловую энергию в механическую, количество энергии на атом (и следовательно, на бит) падает, и расширяющийся газ остывает. Пока температура газа не достигла абсолютного нуля, каждый атом (и, следовательно, каждый из его битов) все еще требует некоторой энергии. Это количество энергии остается в газе и не может перейти в механическую энергию. Так как некоторая энергия должна остаться, не вся энергия может быть извлечена в форме работы.

Веками изощренные изобретатели пытались придумать машину, которая могла бы извлекать больше энергии, чем это возможно в соответствии с данным объяснением. При этом они и по сей день пытаются игнорировать второе начало термодинамики. Такую машину традиционно называют perpetuum mobile, вечным двигателем{6}. Как можно догадаться, создать ее невозможно, потому что она не в состоянии предоставить дополнительную информацию. Может показаться, что после столетий бесплодных усилий люди должны были разочароваться в идее вечного двигателя. Но за последние пятнадцать лет меня много раз просили оценить предложения изобретателей, пытавшихся извлечь из физических систем больше энергии, чем позволяет второе начало термодинамики. Все эти предложения были неудачными. Со временем я так натренировался, что мог взять самый сложный чертеж подобной машины и тут же сказать, где изобретатель «замел информацию под коврик».

Распространение неведения

Законы физики сохраняют информацию. Количество битов, записанных системой (например, воздушным шариком с гелием), не уменьшается. Такое сохранение информации ограничивает эффективность тепловых машин и одновременно отвечает за второе начало термодинамики. Но здесь есть проблема. Согласно законам физики, общее количество информации не может также и увеличиваться. По существу, они гласят, что при отсутствии взаимодействия с другой системой количество информации в системе остается тем же. Но как же энтропия – а это форма информации – может увеличиваться, если при этом не увеличивается суммарное информационное содержание физической системы? Как может быть, что известная информация становятся неизвестной?

В первоначальном виде энтропия рассматривалась как величина, измеряющая, насколько полезна энергия. Энергия с небольшим количеством энтропии – это полезная (свободная) энергия; энергия с большим количеством энтропии бесполезна. Возможно, легче понять увеличение энтропии в такой формулировке: энергия переходит из полезной формы в бесполезную. Горячая ванна остывает. В автомобиле заканчивается бензин. Молоко скисает. Как можно рассмотреть этот процесс с точки зрения информации? Ответ заключается в фундаментальном свойстве природы, который я называю «распространением неведения». Можно сказать, что неизвестные биты заражают известные.

Мы видели, что энтропия – это информация о микроскопических движениях атомов, таких крошечных, что мы не можем увидеть их даже под самым мощным микроскопом. Каждый атом гелия в нашем воздушном шарике содержит двадцать битов. Но если мы не знаем, где находится отдельный атом в воздушном шарике и как быстро он движется (с точностью, позволенной квантовой механикой), то понятия не имеем, что это за биты. Другими словами, энтропия – невидимая информация – является также мерой неведения.

Кое-какая информация об атомах в воздушном шарике у нас, конечно, есть. Например, мы можем измерить его макроскопическое состояние: размер, температуру, давление, которое атомы гелия оказывают на его стенки. Обычно у нас есть только несколько сотен битов макроскопической информации о физической системе, например о воздушном шарике. Для любой системы можно провести различие между битами, значения которых (0 или 1) мы знаем, и теми, значений которых мы не знаем. Биты, значений которых мы не знаем, составляют энтропию системы: бит энтропии – это бит неведения.