Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį, bendra uždaros sistemos entropija gali tik didėti arba išlikti tokia pati, bet niekada nesumažėti. 
Pavyzdžiui, antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad kiaušinis gali nukristi nuo stalo ir sudužti ant grindų, tačiau iš susidariusios netvarkos niekada spontaniškai kiaušinis nevirs vėl sveiku ir neatsidurs ant stalo. Arba kad oras išeis iš baliono, bet balionas savaime niekada neprisipūs.
Jau nuo XIX amžiaus fizikai tiria entropijos vaidmenį ir informacijos teorijoje – pavyzdžiui, energijos mainus, kai kompiuterio atmintyje įrašomi arba ištrinami informacijos bitai.
Termodinamika informatikoje yra fizikų iš Santa Fe instituto (JAV) Davido Wolperto (David Wolpert) ir Artiomo Kolčinskio (Artemy Kolchinsky) tyrimų objektas, siekiant geriau suprasti ryšį tarp termodinamikos ir informacijos apdorojimo skaičiavimuose.
Jų naujausiame šios temos tyrime, paskelbtame žurnale Physical Review E, nagrinėjamas šių idėjų pritaikymas įvairioms klasikinėms ir kvantinėms sritims, įskaitant kvantinę termodinamiką.
„Skaičiavimo sistemos, vykstant skaičiavimams, praranda informaciją apie savo buvusias būsenas“, – sako Wolpertas. „Jei žmogus į skaičiuotuvą įveda „2+2“ ir paspaudžia „Įvesti“, kompiuteris parodo atsakymą – 4. Tuo pačiu metu mašina praranda informaciją apie įvestį, nes ne tik 2+2, bet ir 3+1 (ir kitos skaičių poros) gali sukurti tą patį rezultatą. Vien tik iš atsakymo sistema nebegali suteikti informacijos, kuri skaičių pora buvo įvesta.
1961 metais korporacijos IBM fizikas Rolfas Landaueris (Rolf Landauer) atrado, kad ištrynus informaciją, kaip ir tokio skaičiavimo kaip aprašytas aukščiau metu, skaičiuotuvo entropija mažėja (prarandant informaciją), vadinasi, aplinkos entropija turi didėti.
„Jei ištrinate šiek tiek informacijos, turite sukurti šiek tiek šilumos“, – teigia šio tyrimo autoriai.
Wolpertas ir Kolčinskis norėjo sužinoti: kiek šiluminės energijos sukuria tam tikros sistemos informacijos ištrynimas.
Landaueris išvedė mažiausio energijos kiekio, kuris susidaro ištrynimo metu, lygtį, tačiau Wolpertas ir Kolčinskis nustatė, kad dauguma sistemų iš tikrųjų sukuria šilumos daugiau – pasirodė, kad yra papildomų sąnaudų, kurių Landauerio lygtis nenumato.
Vienintelis būdas pasiekti minimalų Landauerio energijos nuostolį, anot tyrėjų, yra sukurti kompiuterį, kuris būtų skirtas tik vienai tam tikrai užduočiai. Jei kompiuteris atliks jau kitą skaičiavimą, jis sukurs papildomą šilumą ir entropiją. Kolčinskis ir Wolpertas įrodė, kad, pavyzdžiui, du kompiuteriai gali atlikti tą patį skaičiavimą, tačiau skirsis jų sukurta entropija dėl tikėtosios įvesties. Tyrėjai tai pavadino neatitikimo sąnaudomis arba neatitikimo kaina.
„Tai kaina tarp to, kam kompiuteris buvo sukurtas, ir to, kam jį naudojate“, – sako Kočinskis.
Ankstesniuose darbuose tyrėjai įrodė, kad ši neatitikimo kaina yra bendras reiškinys, kurį galima rasti įvairiose sistemose, ne tik informacijos teorijoje, bet ir fizikoje ar biologijoje. Jie nustatė esminį ryšį tarp termodinaminio negrįžtamumo – atvejo, kai didėja entropija, ir loginio negrįžtamumo – atvejo, kai prarandama informacija apie pradinę būseną. Tam tikra prasme šis įrodymas sustiprina antrąjį termodinamikos dėsnį.
Naujausiame savo tyrime Kolčinskis ir Wolpertas parodė, kad šis esminis ryšys apima dar platesnę sritį, nei jie manė anksčiau, įskaitant kvantinių kompiuterių termodinamiką. Informacija kvantiniuose kompiuteriuose yra pažeidžiama dėl statistinių svyravimų, praradimų dėl kvantinio triukšmo ar klaidų, todėl fizikai ieško naujų klaidų ištaisymo metodų. Kolčinskio teigimu, geresnis neatitikimo sąnaudų supratimas gali padėti geriau suprasti, kaip prognozuoti ir ištaisyti tas klaidas.
„Ir tai parodo, kad yra ryšys tarp fizikos ir informacijos teorijos“, – sako Kočinskis.
Artemy Kolchinsky et al, Entropy production given constraints on the energy functions, Physical Review E (2021). DOI: 10.1103/PhysRevE.104.034129
Daugiau:
Juodosios skylės gali būti panašios į hologramas
Naujas IBM lustas, imituojantis žmogaus smegenų darbą
Sukurtas naujo tipo efektyvus nešiojamas elektrokalorinis aušinimo įrenginys