Dalam kolaborasi antara Tu Wien dan Fu Berlin, para peneliti telah mengukur apa yang terjadi ketika informasi fisik kuantum hilang. Ini mengklarifikasi hubungan penting antara termodinamika, teori informasi dan fisika kuantum.
Panas dan Informasi – Ini adalah dua konsep yang sangat berbeda yang, pada pandangan pertama, tampaknya tidak ada hubungannya satu sama lain. Panas dan energi adalah konsep sentral dalam termodinamika, bidang fisika yang penting dan bahkan salah satu landasannya. Teori informasi, di sisi lain, adalah topik abstrak dalam matematika. Tetapi pada awal tahun 1960 -an, fisikawan Rolf Landauer dapat menunjukkan bahwa keduanya terkait erat: penghapusan informasi tidak dapat dihindari terkait dengan pertukaran energi. Anda tidak dapat menghapus perangkat penyimpanan data tanpa melepaskan panas ke dunia luar.
Koneksi yang menakjubkan ini memainkan peran penting dalam teori kuantum saat ini. Sekarang, untuk pertama kalinya, para peneliti di Tu Wien telah berhasil mengukur fenomena ini dalam sistem kuantum banyak partikel dan juga dalam mengukurnya. Tesis Landauer memang dikonfirmasi: Ketika sistem kuantum 'melupakan' keadaannya, ketika informasinya dihapus, ini disertai dengan pertukaran entropi dan energi antara sistem kuantum dan lingkungannya.
Penghapusan biaya energi
“Prinsip Landauer yang disebut menyatakan bahwa menghapus informasi tidak pernah gratis,” kata Prof. Jörg Schmiedmayer dari The Atomic Institute di Tu Wien. “Tidak peduli bagaimana Anda menyimpan informasi, tidak peduli seberapa ekonomis dan efisiennya Anda, menghapus sedikit informasi selalu menghasilkan setidaknya peningkatan entropi tertentu dan dengan demikian juga dalam kehilangan energi.” Prinsip ini memainkan peran penting dalam komputer kuantum dan menetapkan batasan dasar untuk pemrosesan informasi berdasarkan fisika kuantum.
Tetapi pertanyaannya sekarang adalah: Apa artinya 'menghapus' atau 'melupakan' dalam arti fisik? Bagaimanapun, informasi dapat hilang dalam berbagai cara. Anda dapat menghapus informasi yang ditulis dengan pensil. Anda dapat mendemagnetisasi pembawa data magnetik. Tetapi Anda juga dapat bertanya: bukankah sistem fisik juga melupakan informasi hanya dengan berlalunya waktu?
Fisika yang dapat dibalik dan tidak dapat diubah
Ada sistem fisik yang keadaan masa depannya mengikuti dari keadaan mereka saat ini dengan cara yang jelas dan dapat diprediksi. Misalnya, jika Anda mengetahui posisi dan kecepatan semua planet, Anda dapat menghitung dengan sangat tepat di mana planet -planet akan berada dalam waktu tiga bulan – atau di mana mereka tiga bulan lalu. Ini berarti bahwa tidak ada informasi yang hilang. Tidak ada data yang dihapus. Dalam keadaan sistem saat ini, keadaan sebelumnya masih disimpan dalam arti tertentu. Pada prinsipnya, itu dapat direkonstruksi.
Dalam fisika kuantum, ini juga merupakan kasus pada prinsipnya – tetapi hanya sampai sistem kuantum bersentuhan dengan lingkungannya. Saat Anda mengukur keadaan partikel kuantum, misalnya, Anda pasti membawanya ke kontak dengan alat pengukur. Informasi ditransfer dari partikel kuantum ke perangkat pengukur, mengubah keadaan partikel dengan cara yang tidak dapat dibalik. Informasi merembes dari partikel ke lingkungan dalam proses satu arah yang tidak dapat diubah.
Awan Atom Ultracold
Di Tu Wien, fenomena ini sekarang telah diselidiki menggunakan awan atom yang sangat dingin. Beberapa ribu atom rubidium didinginkan dan ditahan di tempat pada chip atom. Kemudian, tiba -tiba, dua awan atom seperti itu dijatuhkan, memungkinkan mereka untuk menyebar dengan bebas dan tumpang tindih satu sama lain. “Sekarang kita membagi seluruh sistem menjadi dua bagian,” kata Amin Tajik, yang melakukan percobaan. “Satu bagian berfungsi sebagai sistem kuantum kami, yang kami analisis. Sisanya didefinisikan sebagai lingkungan – lingkungan yang berinteraksi dengan subsistem kami.”
Dengan mengukur gangguan antara dua awan atom, sekarang dimungkinkan untuk melihat bagaimana subsistem berinteraksi dengan lingkungannya, bagaimana informasi hilang dan bagaimana entropi ditransfer. “Tidak ada alat pengukur yang dapat secara langsung merekam variabel -variabel ini secara bersamaan,” kata Stefan Aimet, seorang ahli teori di Fu Berlin dan anggota tim teori yang bekerja dalam kolaborasi internasional yang erat dengan ahli teori yang memodelkan fenomena yang diamati dan mengukur hubungan antara aliran energi dan informasi.
Analisis terperinci menunjukkan bahwa bahkan sistem multi-partikel yang rumit ini mematuhi aturan Rolf Landauer. Penghapusan informasi kuantum memang disertai dengan transfer entropi dan kehilangan energi. “Ini adalah konfirmasi penting bahwa informasi dan fisika kuantum memang terjalin dengan cara yang menarik dan mendalam seperti yang dipikirkan Rolf Landauer,” kata Jens Eisert, kepala kelompok teori di Fu Berlin. “Ini juga membawa kita lebih dekat untuk memahami salah satu pertanyaan paling mendasar dari fisika kuantum. Apa yang sangat menarik tentang pekerjaan ini adalah wawasan tentang informasi dan panas yang tidak secara langsung dicakup oleh prinsip Landauer, karena ini sudah merupakan teorema yang valid. Tetapi platform atom ultrakel ini memungkinkan kita untuk mengeksplorasi secara kuantitatif pertanyaan yang mendalam tentang proses yang dikuantitatif, yang secara kuantitatif.
Publikasi asli
S. Aimet et al., Prinsip Landauer yang menyelidik secara eksperimental dalam rezim kuantum banyak-body, fisika alam (2025) https://doi.org/10.1038/s41567-025-02930-9
