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Kein Sonderrecht für Quanten

Fundamentale Grenze gilt auch für Qubits

Ein überraschender Zusammenhang zwischen Information und Thermodynamik existiert auch in der Quantenwelt: Wenn man Information löscht, muss Wärme frei werden.
Mehrere große Technologiefirmen betreiben Grundlagenforschung an unterschiedlichen Konzepten für Quantencomputer.

Die Wärmelehre macht auch vor dem Quantencomputer nicht Halt. Zu diesem Ergebnis kommt eine Arbeitsgruppe um Mang Feng von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, die das Landauer-Prinzip an einem reinen Quantensystem überprüfte. Wie sie in »Physical Reviews Letters« berichtet, setzt das Löschen eines Quantenbits eine Mindestmenge an Wärme frei, die sich aus fundamentalen Gesetzmäßigkeiten herleiten lässt und die kein System unterschreiten kann. Bisher war dieser Zusammenhang zwischen Informationstheorie und Thermodynamik nur an klassischen Systemen nachgewiesen. Es galt zumindest als möglich, dass Quantenbits und mithin Quantencomputer dieser Einschränkung nicht unterliegen.

Das Landauer-Prinzip verbindet die Shannon-Entropie, ein Maß für den Informationsgehalt, mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Beim Löschen eines Bits sinkt die Shannon-Entropie ab – entsprechend muss die Entropie des umgebenden Systems zunehmen. Das passiert, indem das Bit Wärme freisetzt. Die Wärmemenge kann aber niemals unter den im Jahr 1961 von dem US-Physiker Rolf Landauer postulierten Wert sinken, der sich aus Boltzmann-Konstante und der Umgebungstemperatur errechnet.

Das gilt auch für Quantensysteme. Mang Feng und sein Team inhaftierten ein Kalziumion in einer Magnetfalle und verwendeten zwei seiner elektronischen Zustände als 0 und 1 des Qubits – die beide gleich stark besetzt waren, ein Zustand maximaler Entropie. Um die abgegebene Wärmemenge genau messen zu können, verwendete die Arbeitsgruppe die Schwingungszustände des auf wenige Dutzend Mikrokelvin gekühlten Ions selbst als Wärmereservoir – so erhielt sie exakt bestimmbare, diskrete Werte für die ausgetauschte Wärmeenergie. Mit Hilfe eines Lasers »löschte« sie die enthaltene Information, so dass sich ein Teil der Entropie als Wärme in Form angeregter Schwingungszustände verflüchtigte.

Indem die Gruppe diese Messung oft wiederholte, zeigte sie nicht nur, dass das Limit auch für Quantenbits gilt, sondern ebenso, dass es in der Praxis immer schwieriger wird, die abgegebene Wärme bis auf diese Mindestmenge zu reduzieren. Das Resultat erweitert eine grundlegende Verbindung zwischen Informationstheorie und Thermodynamik in die Quantenwelt. Aber auch praktisch könne der Befund bedeutsam sein, schreibt der Physiker Massimiliano Esposito in einem Kommentar auf »APS Physics« - möglicherweise sei dieses fundamentale Limit für Quantencomputer dereinst ebenso bedeutsam wie der Carnot-Prozess für Wärmekraftmaschinen.

21/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 21/2018

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