برای خنک کردن رایانه‌تان، حافظه آن را پاک کنید!

امروزه برای خنک کردن پردازشگر ابر رایانه ها، از فن و مایعات خنک کننده استفاده می شود. اما شاید روزی فرا برسد که تنها با پاک کردن بخشی از حافظه رایانه، بتوان آن را خنک کرد.

شاید باورنکردنی به نظر برسد، اما تصور کنید که یک ابررایانه را بدون استفاده از فن و مایعات خنک‌کننده، تنها با پاک کردن بخشی از حافظه آن خنک کنید. محاسبات جدید نشان می‌دهد که چنین کاری امکان‌پذیر است، مشروط به آنکه بعضی از بیت‌های تشکیل دهنده حافظه رایانه در حالت درهم‌تنیدگی قرار داشته باشند. درهم‌تنیدگی خصوصیتی شبح‌وار است که دو سیستم کوانتومی را، بدون توجه به اینکه در عالم فیزیکی آنها در چه فاصله‌ای از یکدیگر قرار دارند، به یکدیگر متصل می‌کند.

به گزارش نیوساینتیست، ایده خنک کردن از طریق پاک‌سازی، ظاهرا با یک اصل فیزیکی که در سال 1961 / 1340 از سوی رولف لانداور ارائه شد، در تضاد است. این فیزیک‌دان نشان داد که پاک کردن اطلاعات، متناظر با کاهش آنتروپی یا بی‌نظمی است. از آنجایی‌که طبق قوانین فیزیک آنتروپی کل همواره باید افزایش یابد، حذف بیت‌ها باید با افزایشی در آنتروپی محیط اطراف همراه باشد، موضوعی که خودش را به صورت گرما نشان می‌دهد.

گرمای تولید شده توسط رایانه‌های امروزی، عمدتا ناشی از ناکارآمدی فرایند پردازش است. از آنجایی‌که این ناکارآمدی روز به روز در حال کاهش است، لانداور یک حد بنیادی را تعیین کرد که مشخص می‌کرد تا چه حد می‌توان گرمای تولید شده به واسطه انجام محاسبات را کاهش داد. اما اکنون لیدیا دل‌ریو از انستیتو فناوری سوئیس و همکارانش نشان داده‌اند که چطور با استفاده از درهم‌تنیدگی کوانتومی، می‌توان راهی را برای دور زدن قانون لانداور فراهم کرد.

شیب منفی انرژی

برای درک نحوه عملکرد این روش، دو نفر را در نظر بگیرید که هر کدام تلاش می‌کند تا یک رشته از بیت‌های حافظه رایانه را پاک کند. با توجه به سیستم دودویی رایانه‌ها، هر کدام از بیت‌ها می‌تواند مقدار صفر یا یک را اختیار کند. حال فرض کنید که یکی از این دو نفر هیچ اطلاعی درباره محتوای بیت‌ها ندارد، در نتیجه برای اطمینان از پاک شدن بیت‌های حافظه وی مجبور است که صرف‌نظر از محتوای اولیه بیت‌ها، همه آنها را به مقدار صفر بازگرداند. در مقابل، نفر دوم از محتوای بیت‌های این رشته باخبر است، در نتیجه تنها لازم است که بیت‌هایی را که مقدار یک دارند، از نو مقداردهی کند.

در چنین وضعیتی نفر اول برای پاک کردن این رشته باید کار بیشتری در مقایسه با نفر دوم انجام دهد. در نتیجه گفته می‌شود که آنتروپی مشروط (Conditional Entropy) حافظه برای شخص اول کمتر از شخص دوم است.

اکنون تصور کنید که بیت‌های حافظه‌ای که باید پاک شوند حالت درهم‌تنیدگی داشته باشند. در چنین سیستمی، مشاهده یا تعیین وضعیت یک بخش، بی‌درنگ وضعیت بخش دیگر را تثبیت می‌کند. بنابراین ناظری که به به اجسام درهم‌تنیده دسترسی دارد، چیزهای بیشتری را در مورد حافظه می‌داند که در غیر این حالت امکان‌پذیر نیست. در نتیجه هنگامی‌که حافظه پاک می‌شود، آنتروپی مشروط سیستم پایین می‌آید و منفی می‌شود.

مرز دنیای فیزیکی

دل‌ریو و همکارانش به صورت ریاضی نشان دادند که این آنتروپی مشروط منفی، معادل خارج کردن گرما از محیط اطراف یا همان خنک کردن است. این محققان آینده‌ای را مجسم می‌کنند که رایانه‌های آن دارای سیستم‌های درهم‌تنیده‌ای از این نوع هستند. پاک کردن بخشی از حافظه رایانه، منجر به خنک شدن پردازشگر آن می‌شود. ولاتکو ودرال از دانشگاه آکسفورد و از اعضای گروه می‌گوید: «اگر شما به این سطح درهم تنیدگی عملکرد برسید، آنگاه در مرز آن چیزی قرار می‌گیرید که فیزیک امکان آن را به شما می‌دهد.»

این مساله همچنین با قوانین ترمودینامیک تضادی ندارد: آنتروپی کل در مجموع افزایش می‌یابد، زیرا برای خلق سیستم درهم‌تنیده در ابتدا باید انرژی صرف کنید.

در حال حاضر کار کردن با وضعیت‌های درهم‌تنیده چندان آسان نیست. چنین سیستم‌هایی به حجم عظیمی از خنک‌سازی نیاز دارند و شدیدا شکننده و ناپایدار هستند. با این وجود، رابرت پریودل از دانشگاه واترلو کانادا که مشارکتی در این تحقیق نداشته است، تحت تاثیر این ایده قرار گرفته است. وی می‌گوید: «این مساله اثبات می‌کند که خصوصیات عجیب و غریب دنیای کوانتوم، تنها به عنوان یک منبع اطلاعاتی مفید نیستند؛ بلکه می‌توانند واقعا در عمل برای خلق چیزهای واقعی استفاده شوند.»