روشی برای به حداقل‌رساندن هزینه‌ی ترمودینامیکی پاک‌کردن یک تک‌بیت در طول یک زمان مشخص

روشی برای به حداقل‌رساندن هزینه‌ی ترمودینامیکی پاک‌کردن یک تک‌بیت در طول یک زمان مشخص

نظریه‌ی ترمودینامیک تصادفی، چارچوبی است که میزان گرما، دینامیک و انتروپی را در سیستم‌های کوچک (یعنی مزوسکوپی) که با یک حالت تعادل ترمودینامیکی، فاصله‌ی زیادی دارند مشخص می‌کند.

در سال‌های اخیر، دانشمندان سعی کرده‌اند تا با استفاده از این نظریه، درک بهتری را از دینامیک حاکم بر سیستم‌های مختلف شامل ذرات کلوئیدی، DNA، RNA، آنزیم‌ها، موتور‌های مولکولی و دستگاه‌های الکترونی بدست آورند.

در مقاله‌ای که به تازگی در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شد، محققان دانشگاه سایمون فریزر (Simon Fraser University)، ترمودینامیک تصادفی را با ساختار دیگری به نام نظریه‌ی انتقال بهینه (optimal transport theory) ترکیب کردند تا از هزینه‌ی ترمودینامیکی مربوط به پاک‌سازی یک بیت واحد اطلاعات از یک دستگاه، در طول یک زمان مشخص پرده بردارند. نظریه‌ی انتقال بهینه چارچوبی است که در اواخر قرن هجدهم میلادی و برای پاسخ به سوالاتی از قبیل «اگر کسی مجبور باشد خاک را از خاکریز الف به ب منتقل کند، این کار چگونه باید انجام شود تا تلاش لازم برای این انتقال از یک مکان به مکان دیگر را کمینه کند؟» معرفی شد.

حدود یک دهه قبل، فیزیکدان نظری با نام اریک اورل (Erik Aurell) و محققان دیگر پی‌بردند که نظریه‌ی انتقال بهینه می‌تواند برای حل مسائل بهینه‌سازی گوناگون که ریشه در حوزه‌ی ترمودینامیک دارند نیز استفاده شود. گروهی از محققان در دانشگاه سایمون فریزر در مطالعه‌ی اخیرشان، محاسباتی را بر اساس تکنیک معرفی‌شده توسط اورل و همکارانش انجام دادند.

محققان می‌گویند: «مقاله‌ی ما بر اساس چارچوب کلی ترمودینامیک تصادفی است. با ترکیب این نظریه با ایده‌هایی از نظریه‌ی انتقال بهینه، امکان محاسبه‌ی حداقل هزینه‌ی ترمودینامیکی یک فرایند غیر‌تعادلی وجود دارد. ما از این ایده‌ها برای تعمیم اصل لانداوه (Landauer) به فرایند‌های زمان‌محدود استفاده کردیم».

اصل لانداوه، یعنی اصل اولیه‌ایی که نمای کلی ترمودینامیک پردازش اطلاعات را در بر‌دارد، یک حد پایین نظری برای انرژی مصرفی یک دستگاه، هنگام انجام یک محاسبات مشخص، تعیین می‌کند. این اصل همچنین مقداری مشخص که نشان‌دهنده‌ی حداقل هزینه‌ی ترمودینامیکی پاک‌سازی اطلاعات یک دستگاه است را در اختیار قرار می‌دهد (که به ازای هر بیت برابر است با K Tlog2 که K ثابت بولتزمن و T دمای محیط اطراف است).

با این وجود، این کمینه‌ی هزینه، معمولا فقط برای عملیاتی که بسیار آرام انجام شوند، بدست می‌آید. از طرف دیگر، محققان در این پژوهش سعی کردند تا موثر‌ترین روش ممکن برای پاک‌کردن سریع یک بیت از یک دستگاه، در طول یک میزان مشخص از زمان را تعیین کنند.

محققان می‌گویند: «ما پروتکل‌هایی را بدست آورده‌ایم که کار لازم برای پاک‌کردن یک بیت اطلاعات در یک زمان مشخص را به حداقل می‌رسانند، با این فرض که ما نیرو‌های اعمال‌شده که ذره را تحت تاثیر قرار می‌دهند را کاملا کنترل کرده‌ایم. با این کار، ما همچنین یک حد پایین ساده بر میزان کار مورد نیاز برای پاک‌سازی یک بیت را بدست آوردیم».

این مطالعه‌ی اخیرا انجام‌شده توسط این محققان منجر به دو کشف مهم شد. اول آنکه محققان توانستند حدود پایین و بالای کمینه‌ی کار مورد نیاز برای پاک‌کردن یک بیت از یک دستگاه را محاسبه کنند. این حدود می‌توانند در آینده به عنوان یک مرجع برای ارزیابی عملکرد پیشرفته‌ترین دستگاه‌ها و بسترهای آزمایشی بکار روند. بعلاوه، چارچوب پیشنهاد شده توسط محققان می‌تواند برای ساخت پروتکل‌های بهینه برای پاک‌کردن بیت‌ها از دستگاه‌های الکترونیکی، مورد استفاده قرار گیرد.

محققان می‌گویند: «تاکنون، تمرکز ما بر محاسبات نظری بوده است. گام بعدی، آزمودن حد ما روی سیستم‌های آزمایشگاهی است. به ویژه، ما چینش‌های آزمایشگاهی که شامل ذرات کلوئیدی در انبرک‌های اپتیکی هستند را در نظر خواهیم گرفت. سوال جالب دیگر که مایل به پاسخگویی به آن هستیم این است که به هنگام داشتن کنترل محدود روی سیستم، حد ما چقدر درست تغییر می‌کند».
منبع: phys.org
 
كلمات كليدي :
نظریه ترمودینامیک تصادفی
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر
login