Зачем физики создали демона Максвелла

Физики из Финляндии, России и США впервые создали автономного электронного демона Максвелла. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters. Разберемся, что же такое демоны Максвелла и как они могут помешать работе компьютеров

Интрига вокруг демонов Максвелла сохраняется в науке вот уже 150 лет. Концепцию сверхъестественного существа предложил в 1867 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Речь идет о некоем устройстве, функционирующем так, что это приводит к нарушению (кажущемуся) второго начала термодинамики — одного из самых фундаментальных законов природы.

В своем мысленном эксперименте Максвелл взял закрытый баллон с газом и разделил его на две части внутренней стенкой с небольшим люком. Открывая и закрывая люк, демон Максвелла разделяет быстрые (горячие) и медленные (холодные) частицы. В результате в баллоне возникает разность температур, а тепло передается от более холодного газа к более горячему, что казалось бы противоречит второму закону термодинамики.

Второй закон термодинамики определяет направление физических процессов. В частности, как показал немецкий физик Рудольф Клаузиус, он делает невозможной самопроизвольную передачу (то есть без совершения работы) тепла от более холодного тела более горячему или, что то же самое, уменьшение энтропии (меры беспорядка) изолированной системы. В формулировке француза Сади Карно этот закон звучит так: тепловая машина с коэффициентом полезного действия в сто процентов невозможна.

Второе начало термодинамики было окончательно сформулировано в XIX веке. Тогда это был закон для ряда частных случаев (его фундаментальный характер прояснился позднее). Физики искали в нем противоречия, и одно из них (наряду с тепловой смертью Вселенной) и представил Максвелл в письме к своему коллеге Питеру Тейту.

Парадокс сразу привлек к себе внимание ученых и любителей науки. В XX веке славу демона Максвелла затмил кот (или кошка) Шредингера. Между тем, подобно домашнему питомцу из квантовой механики, бес британского физика послужил источником многих важных открытий. В частности, благодаря ему возникла термодинамическая теория информации и связанное с ней представление об информационной энтропии.

В 1960-х годах исследователь из американской компании IBM (International Business Machines) Рольф Ландауэр сформулировал принцип, которому присвоили его имя. Он связал потерю бита информации в любой физической системе с выделением соответствующего количества тепла (или, что то же самое, повышением термодинамической энтропии). Работа Ландауэра имела фундаментальное значение для вычислительной техники, сохраняющееся до сих пор. Выражение, названное в честь Ландауэра, а также американцев Клода Шеннона и Джона фон Неймана, позволяет определить предельные физические характеристики устройства (прежде всего, его мощность и размеры), при которых уничтожается информация. Созданные человеком процессоры прошли путь от рассеивания тепла, в миллиарды раз большего предсказываемого принципом Ландауэра, до современных значений, всего в тысячи раз превышающих его.

Джеймс Максвелл


Лео Силард

Пусть имеется ячейка памяти, содержащая закодированную в битах информацию (со значениями ноль и единица). Если уничтожить ее (то есть перевести в состояние, содержащее только нули или единицы), выделится тепло. На языке термодинамики это означает обращение энтропии системы в нуль, поскольку достигнуто максимально упорядоченное состояние (описываемое только нулями или единицами). Ландаэуэр любил повторять, что «информация — это физическая величина», это было его девизом.

Впервые измерили тепло, выделяющееся при уничтожении бита информации, ученые из Франции и Германии. Ячейкой памяти послужила кварцевая бусина диаметром два микрометра, помещенная в воду. Посредством оптического пинцета физики создали пару потенциальных ям, в которых могла оказаться бусина. Эти состояния системы соответствовали логическим значениям нуль и единица. При переводе системы в одно состояние информация стиралась. Машина учитывала множество нюансов, в частности, флуктуации, чья роль росла вместе с уменьшением глубины ям. При помощи рапида физики наблюдали переход системы из одного состояния в другое. Процесс сопровождался тепловыделением, температура воды повышалась, и это фиксировалось. Полученные данные оказались близки к предсказываемым принципом Ландауэра.

Но при чем тут демон Максвелла? Дело в том, что при сортировке горячих и холодных молекул в мысленном эксперименте Максвелла демон накапливает информацию о скоростях частиц. В какой-то момент память переполняется, и демону для продолжения работы необходимо ее стереть. Для этого требуется совершить работу, в точности равную работе, которую теоретически можно было бы извлечь из системы горячих и холодных частиц. То есть второй закон термодинамики не нарушается. Однако возникает метафизический вопрос о сущности, стирающей демону память. Не будет ли ею некий супердемон, влияющий на младшего демона? Ответ на этот вопрос впервые предложил в 1929 году один из участников Манхэттенского проекта американский физик Лео Силард. Устройство, названное его именем, обеспечивает демону Максвелла автономную работу.

Впервые его реализовать удалось японским ученым в 2010 году. Их электромеханическая модель представляет собой полистироловую бусину диаметром около 300 нанометров, помещенную в электролит. Электромагнитное поле не давало бусине перемещаться вниз, в результате чего она набрала механическую (потенциальную) энергию, пропорциональную работе поля. Демоном Максвелла в такой системе выступал наблюдатель и его научные инструменты, для функционирования которых необходима энергия. Последнее обстоятельство снова не позволяет нарушить второе начало термодинамики. В отличие от японских ученых, их коллеги из Финляндии, России (Иван Хаймович из Института физики микроструктур Российской академии наук) и США впервые создали не электромеханическую, а полностью электронную машину Силарда (автономного демона Максвелла).

Электронная версия машины Силарда

Система основана на одноэлектронном транзисторе, который образует небольшой медный остров, подключенный к двум сверхпроводящим алюминиевым выводам. Демон Максвелла контролирует движение электронов разных энергий в транзисторе. Когда частица находится на острове, демон притягивает ее положительным зарядом. Если электрон покидает остров, демон отталкивает его при помощи отрицательного заряда, что приводит к понижению температуры транзистора и ее повышению у демона.

Все манипуляции демон выполняет в автономном режиме (его поведение определяется транзистором), а изменения температуры указывают на корреляцию между ним и системой, так что все выглядит так, как будто демон Максвелла знает о состоянии системы и способен ею управлять. Электронный демон позволяет проводить большое количество измерений за небольшой промежуток времени, а низкие температуры в системе дают возможность регистрировать чрезвычайно малые ее изменения. Эта система также не нарушает второе начало термодинамики и согласуется с интуитивно понятным представлением о том, что информацию можно использовать для совершения работы.

Зачем ученым нужны такие исследования? С одной стороны, они представляют явный академический интерес, поскольку позволяют изучать микроскопические явления в термодинамике. С другой стороны, показывают, насколько важно производство энтропии из информации, получаемой демоном. Именно это может быть, как полагают авторы исследования, полезным для проектирования кубитов (квантовых аналогов классических битов) квантовых компьютеров, даже несмотря на намечающийся прогресс в обратимых вычислениях, рассказ о чем выходит за рамки данной статьи.