本报记者 常丽君 综合外电 在传统意义上，清除信息的过程需要消耗能量，更准确地说是一种热耗散。1961年，罗尔夫·朗道提出，清除一个比特的信息只需要少许能量，比如将一个比特变成逻辑零值状态，所需的能量相对于系统的热库温度而言，是一个正值，这可以看做是系统的热动力熵。因此，这些熵被认为是清除一个比特信息量所需要的最基本能耗。
但最新研究显示，清除信息而无需任何能耗理论上可以实现，信息清除成本可由另外一种存储体系如自旋角动量来支付。研究人员澳大利亚昆士兰格里菲斯大学的琼·瓦卡罗和英国斯特拉斯克莱德大学的斯蒂芬·巴尼特在发表于最近出版的英国《皇家学会会刊A辑》论文中，定量地描绘了如何在零能耗条件下清除信息。
拓展的库存系统
要实现零能耗清除信息，必须用到能量以外的另一种库存系统，就是亚原子粒子的自旋角动量。瓦卡罗和巴尼特证明了使用这种系统，可以将能量成本完全避免。
亚原子粒子都有自旋角动量，其数量描述就好像能量一样，必须被存储起来，但它和热量不同。热量是一个量子比特和热库之间交换，而角动量是单个量子在一个量子比特和自旋储存库之间交换。研究人员描述了如何从零状态开始，在量子比特自旋和再次自旋之间通过重复的逻辑操作，最终使两次自旋都达到逻辑零值状态。最重要的是，他们证明了在使用自旋角动量而不是能量的系统中，由于定义的逻辑状态数值，清除量子记忆的成本已经得到了补偿。对这一一开始惹人争议的假设给出了合情合理的解释。
研究人员解释说，要通过实验实现这种设计方案是很困难的。尽管如此，他们的结果显示了，物理定律并不排斥零能耗清除信息，这跟以前的研究相矛盾。研究人员指出，在实践中，要保证系统的能量简并尤其困难。能量简并是具有不同自旋状态的量子比特和储存库，形成相同的能级。但即使条件不完美导致了某些能量损失，也没什么原因能造成朗道方程所预测的那么大成本。
麦克斯韦妖做功
清除信息而无需耗能，多种领域都有这样的可能，一个例子就是“麦克斯韦妖佯谬”。麦克斯韦妖的例子提供了一种违反热力学第二定律的方式，其假设一个精灵在绝热容器中提取热量，将所有的热能转化为机械能。绝热容器被分成相等的两格，中间是一扇活板门，容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门，精灵可以选择打开或关闭活门，将速度较快的分子（温度较高）放入左边格子，将速度较慢的分子（温度较低）放入右边，这样左右两格的温度就会一高一低。麦克斯韦认为，整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。
1982年，班尼特对这一佯谬的解决是，精灵的记忆必须被清除以完成整个循环过程，这需要消耗能量。而瓦卡罗和巴尼特的论证结构认为，清除精灵的记忆可以无需耗能，而只需要换一种以自旋角动量来计算成本的存储库。在这种设计中，精灵以另外的资源为成本，就能从一个储热库中提取出所有的能量以作他用。
从绝热容器中分拣分子可以分三步：第一步，精灵没有记忆，储热箱中的气体处于热平衡状态；第二步，精灵将储热箱分隔成两部分，使用一种热推动操作工具将运动最快分子捕捉到右边箱子，进行分拣；第三步，用自旋存储清除精灵记忆，使两个分隔箱恢复平衡。
研究人员解释说，这一结果跟热力学第二定律的经典描述并不矛盾。热力学第二定律只适用于热能和热库，不适用于更宽泛类型的储存库。而且，麦克斯韦妖的例子表示了机械运作可以实现零能耗，这种能量提取和整个系统的信息理论熵值增加有关。
信息是物质的
“熵值最大化所遵守的条件，不仅适用于热量存储系统，还适用于能量守恒。”瓦卡罗说，这一结果也能用于卡诺热机假设，其运作实现了效率最大化。如果这种机器使用角动量储存库而不是热库，它将产生角动量的效果而不是机械功。
但要在实践中证明零能耗清除信息却非常困难，瓦卡罗正在研究如何在原子和光学系统中实现信息清除，但还需要进一步证明它在实践中是否有效。瓦卡罗补充说：“目前，我们清除信息所需的能耗已接近朗道理论临界值。这一研究的意义更多体现为基础概念方面，还不能用于实际存储设备。比如朗道认为信息是物质的，因为清除它要耗费能量；而我们认为，信息是物质的，其原因要比以往的背景更深刻。
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