圣达菲研究所 图3摘自论文《熵产生对能量函数的给定约束》
“信贷:圣达菲研究所 根据热力学第二定律，封闭过程的总熵可以增加或保持不变，但永远不会减少
例如，第二条定律保证鸡蛋可以从桌子上摇下来，在地板上留下一团乱，但这种乱永远不会自发地形成一个鸡蛋，然后跳回到桌子上
或者空气会从气球中逸出，但不会自行膨胀
至少从19世纪开始，物理学家就一直在研究熵在信息论中的作用——例如，研究从计算机中添加或删除比特的能量交易
计算热力学是物理学家和SFI常驻教师大卫·沃尔伯特的研究重点，在过去的几年里，他一直与物理学家、前SFI博士后阿尔特米·科尔钦斯基合作，以更好地理解计算中热力学和信息处理之间的联系
他们对这一主题的最新探索发表在《物理评论》上，着眼于将这些想法应用于广泛的经典和量子领域，包括量子热力学
沃尔伯特说:“计算系统是专门为在进化过程中丢失过去的信息而设计的。”
如果一个人在计算器中输入“2+2”，然后点击“输入”，计算机就会输出答案——4
同时，机器会丢失关于输入的信息，因为不仅2+2而且3+1(和其他数字对)也会产生相同的输出
仅从答案来看，机器无法报告哪对数字充当了输入
1961年，IBM物理学家罗尔夫·兰道尔发现，当信息被擦除时，比如在这样的计算过程中，计算器的熵会减少(通过丢失信息)，这意味着环境的熵必须增加
科尔钦斯基说:“如果你抹去一点信息，你必须产生一点热量。”
沃尔伯特和科尔钦斯基想知道:对于给定的系统，擦除信息的能源成本是多少？朗道导出了擦除过程中产生的最小能量的方程，但是SFI二人组发现大多数系统实际上产生更多的能量
“有一个成本似乎超出了朗道的界限，”科尔钦斯基说
他说，实现朗道能量损失最小的唯一方法是设计一台有特定任务的计算机
如果计算机进行一些其他的计算，那么它将产生额外的熵
例如，Kolchinsky和Wolpert已经证明两台计算机可能执行相同的计算，但是由于它们对输入的期望，熵产生是不同的
研究人员称之为“错配成本”，即犯错的成本
科尔钦斯基说:“这是制造机器的目的和你使用机器的目的之间的成本。”
在过去的论文中，两人证明了这种不匹配成本是一种普遍现象，可以在各种系统中探索，不仅在信息论中，而且在物理学或生物学中
他们发现了热力学不可逆性(熵增加的情况)和逻辑不可逆性(初始状态丢失的计算情况)之间的基本关系
从某种意义上说，它们强化了热力学第二定律
在他们的最新出版物中，科尔钦斯基和沃尔伯特证明了这种基本关系比他们以前想象的延伸得更广，包括量子计算机的热力学
量子计算机中的信息很容易因统计波动或量子噪声而丢失或出错，这就是物理学家正在寻找新的纠错方法的原因
科尔钦斯基说，更好地理解错配成本，可能会导致更好地理解如何预测和纠正这些错误
“物理学和信息论之间有着深刻的联系，”科尔钦奇说
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
