• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Fizyka kwantowa kryjąca się za temperaturą komputera

    07.06.2011. 17:17
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    Czy zastanawialiście się kiedyś nad fizyką stojącą za charakterystycznym szumem laptopa, kiedy się przegrzewa leżąc na kolanach? Albo nad wszechogarniającym ciepłem generowanym przez pomieszczenia biurowe wypełnione włączonymi komputerami lub serwerownie?

    Międzynarodowy zespół fizyków teoretycznych dokonał ostatnio wyjątkowego odkrycia, że komputery mogą równie dobrze generować ciepło, jak i chłód.

    W artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature zespół z Wlk. Brytanii, Szwajcarii i Singapuru wyszedł od powszechnie uznanego faktu, że energia zużyta przez włączone komputery ostatecznie przekształci się w ciepło. Badania, które otrzymały wsparcie finansowe od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych ujawniają, że w pewnych warunkach usuwanie danych może wytworzyć efekt chłodzenia.

    Odkrycia te mogą mieć znaczenie w kontekście możliwości ręcznego schładzania tak zwanych "superkomputerów", których wydajność jest często ograniczona z powodu ich przegrzewania się. Superkomputery są wykorzystywane do zadań wymagających ogromnych zdolności przetwarzania, na przykład w meteorologii czy modelowaniu molekularnym.

    Naukowcy wyjaśniają, że efekt schładzania jest następstwem zjawiska kwantowego splątania. "Uzyskanie takiej kontroli na poziomie kwantowym, jaka potrzebna byłaby do wdrożenia tego w superkomputerach stanowi wprawdzie potężne wyzwanie technologiczne, ale nie musi to być niemożliwe. W ciągu ostatnich 20 lat poczyniono znaczące postępy w technologiach kwantowych" - wyjaśnia Vlatko Vedral, współautor artykułu. "Dzięki technologii dostępnej obecnie w laboratoriach fizyki kwantowej powinno być możliwe przeprowadzenie doświadczenia prognostycznego na kilku bitach danych."

    To fizyk Rolf Landauer jako pierwszy odkrył w 1961 r., że usuwanie danych powoduje w sposób nieuchronny uwolnienie energii pod postacią ciepła. Ta zasada oznacza, że po przekroczeniu pewnej liczby operacji arytmetycznych na sekundę komputer wygeneruje ciepło w ilościach niemożliwych do rozproszenia. Chociaż w przypadku dzisiejszych superkomputerów istotniejsze są inne źródła ciepła, zespół jest przekonany, że krytyczny próg, przy którym ciepło generowane przez wymazywanie - zgodnie z zasadą Landauera - stanie się istotne może zostać osiągnięty w ciągu kolejnych od 10 do 20 lat.

    Ciepło powstające przy wymazywaniu dysku twardego o pojemności 10 terabajtów wynosi niewiele ponad jedną milionową dżula. Aczkolwiek, jeżeli proces wymazywania zostałby powtórzony wielokrotnie w ciągu sekundy, wówczas nastąpi odpowiednia akumulacja ciepła.

    Nowe badania stawiają ponownie w centrum uwagi zasadę Landauera w przypadkach, w których wartość bitów do wymazania może być znana. Kiedy znana jest zawartość pamięci, powinno być możliwe wymazanie ich w taki sposób, który teoretycznie umożliwia odtworzenie ich.

    W toku wcześniejszych badań wykazano, że takie odwracalne wymazanie nie wygeneruje ciepła. Postęp poczyniony w ramach nowych badań polega na wykazaniu, że kiedy bity do wymazania są kwantowo-mechanicznie splątane ze stanem obserwatora, wówczas może on nawet wyciągnąć ciepło z systemu w czasie wymazywania bitów. Splątanie wiąże stan obserwatora ze stanem komputera w taki sposób, że wie on więcej o pamięci niż jest to możliwe w fizyce klasycznej.

    W ramach badań zespół wykorzystał pojęcia z teorii informacji i termodynamiki w koncepcji zwanej entropią. W teorii informacji entropia jest pomiarem gęstości informacji, który opisuje ile pojemności pamięci zajmie dany zbiór danych przy optymalnej kompresji. Natomiast w termodynamice entropia odnosi się do nieuporządkowania w systemach, na przykład do układu molekuł w gazie. W termodynamice zwiększenie entropii systemu zwykle jest równoważne z dodaniem energii, takiej jak ciepło.

    "Wykazaliśmy teraz, że w obydwu przypadkach termin entropia tak naprawdę opisuje tą samą rzecz, nawet w reżimie kwantowo-mechanicznym. Wyniki naszych badań wskazują, że w obydwu przypadkach entropia jest uznawana za swego rodzaju brak wiedzy" - mówi Renato Renner z zespołu badawczego.

    W praktyce odkrycia te oznaczają, że jeżeli dwie osoby wymażą dane z pamięci, a jedna ma większą wiedzę na ich temat, pamięć jest postrzegana jako cechująca się niższą entropią i może zostać wymazana przy użyciu mniejszej energii.

    Badania, prócz swojej przydatności dla naszej wiedzy o wytwarzaniu ciepła przez komputery, mogą mieć pozytywny wpływ na rozwój innowacyjności w termodynamice.

    Za: CORDIS

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Przemiana izentropowa lub izoentropowa – proces termodynamiczny zachodzący przy stałej entropii właściwej. Odgrywa ona w technice stosunkowo dużą rolę, ponieważ może być jednocześnie adiabatą odwracalną (beztarciową, idealną). Izentropa może być także przemianą rzeczywistą, w której od czynnika odbierane jest ciepło równe ciepłu wewnętrznemu przemiany (ciepłu powstającemu wewnątrz czynnika w wyniku tarcia wewnętrznego). W rzeczywistości przemiana izentropowa jest praktycznie niespotykana, jednak w teorii maszyn cieplnych odgrywa istotną rolę. Jako adiabata odwracalna przewija się szczególnie w teorii sprężarek przepływowych i turbin cieplnych. Produkcja entropii - w elementarnym procesie termodynamicznym, jest to różnica między przyrostem entropii układu dS, a przyrostem entropii dQ/T wynikającym z dostarczenia do układu ciepła z otoczenia: Demon Maxwella – hipotetyczna istota zaproponowana przez Jamesa Clerka Maxwella jako rodzaj eksperymentu myślowego, mającego unaocznić sens fizyczny drugiej zasady termodynamiki, zabraniającej między innymi powstania znacznej różnicy temperatur dwóch odizolowanych od otoczenia ciał mających pierwotnie tę samą temperaturę i mogących swobodnie wymieniać między sobą ciepło lub masę. Precyzyjniej mówiąc, bez demona żaden układ termodynamicznie izolowany nie może zmniejszać swojej entropii.

    System ciepłowniczy to sieć ciepłownicza oraz współpracujące z nią urządzenia lub instalacje służące do wytwarzania lub odbioru ciepła. Każdy system posiada źródło, czyli miejsce, w którym wytwarzane jest ciepło. Jest ono następnie przekazywane ze źródła (w formie ciepłej wody lub pary wodnej o odpowiedniej temperaturze) do sieci ciepłowniczych przedsiębiorstw zajmujących się jego dostawą do odbiorców - klientów. Źródło ciepła - obok sieci ciepłowniczej i odbiorników ciepła, jest jednym z trzech podstawowych elementów systemu wytwarzania, przesyłania i wykorzystywania ciepła. Służy do wytwarzania ciepła, a zamontowane w nim urządzenia mają zapewnić prawidłową i ciągłą współpracę z układem rozprowadzającym ciepło, w celu zaspokojenia potrzeb i oczekiwań odbiorców.

    Strumień ciepła – prędkość przepływu ciepła. Może być wyrażony przez stosunek elementarnej ilości ciepła dQ do czasu trwania wymiany tej ilości ciepła dt (czasu trwania przepływu elementarnej ilości ciepła), czyli jest to pochodna po czasie ilości ciepła przepływającego przez przekrój poprzeczny przegrody. Wyraża się wzorem Pogotowie ciepłownicze – jednostka pracowników, powoływana przez operatora sieci ciepłowniczej. Jej zadania obejmują przyjmowanie informacji o awariach sieci ciepłowniczej (np. wyciekach), awariach dostaw ciepła i ciepłej wody użytkowej, interwencje (naprawa uszkodzeń i awarii) oraz udzielanie informacji o stanie sieci i trwających naprawach.

    Łaźnia – sprzęt laboratoryjny pośredniczący w ogrzewaniu lub chłodzeniu naczyń laboratoryjnych (wraz z ich zawartością). Łaźnia jest naczyniem wypełnionym odpowiednią substancją. Substancja ta może być nagrzewana przez zewnętrzne źródło ciepła w celu przekazywania tego ciepła dalej, poprzez ścianki naczynia laboratoryjnego do podgrzewanej substancji lub przeciwnie, może ona odbierać ciepło od substancji. Naczynie laboratoryjne jest zanurzone lub też otoczone substancją przekazującą ciepło z możliwie wszystkich stron. Ciepło skojarzone – ciepło, które powstaje na skutek jednoczesnego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej w elektrociepłowni.

    Kaloria (łac. calor – ciepło) – historyczna jednostka ciepła, obecnie, gdy ciepło jest utożsamiane z energią, jest pozaukładową jednostką energii (skrót cal); często używana jest jednostka wielokrotna kilokaloria (skrót kcal); 1 kcal = 1000 cal. Megakaloria (milion kalorii, skrót Mcal) nosiła kiedyś osobną nazwę "termia" (skrót th, od gr. thermos – ciepły).

    Kaloria (łac. calor – ciepło) – historyczna jednostka ciepła, obecnie gdy ciepło jest utożsamiane z energią, jest pozaukładową jednostką energii (skrót cal); często używana jest jednostka wielokrotna kilokaloria (skrót kcal); 1 kcal = 1000 cal. Megakaloria (milion kalorii, skrót Mcal) nosiła kiedyś osobną nazwę "termia" (skrót th, od gr. thermos - ciepły).

    Zasada Landauera mówi, że wymazanie jednego bitu informacji w otoczeniu o temperaturze T wymaga straty (dysypacji) energii (lub wydzielenia ciepła) o wartości co najmniej kT ln 2, gdzie k – stała Boltzmanna równa 1.38 × 10 J/K. Przewodność cieplna, współczynnik przewodnictwa ciepła oznaczany symbolem λ lub k określa zdolność substancji do przewodzenia ciepła. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej.

    Dodano: 07.06.2011. 17:17  


    Najnowsze