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Thermodynamik: Löschen von Informationen erzeugt Wärme

Das Löschen von Informationen setzt Energie in Form von Wärme frei. Experimente bestätigen nun diese als Landauer-Prinzip bekannte These aus dem Jahr 1961.
Mikrokugel in der optischen Falle

Heutige Computer verlieren die eingespeiste Energie überwiegend in Form von Wärme. Doch selbst wenn man die Verlustleistung drastisch reduzieren würde, käme man nicht unter eine gewisse Untergrenze. Das zumindest meinte der Physiker Rolf Landauer, dem zufolge jede logisch unumkehrbare Umwandlung an klassischer Information zwangsläufig mit der Abgabe von Wärme verbunden ist – also insbesondere das Löschen von Daten. Diese Hypothese aus dem Jahr 1961 belegen Eric Lutz von der Universität Augsburg und seine Kollegen nun mit Experimenten und verdeutlichen so die enge Verbindung zwischen Informationstheorie und Thermodynamik.

Als Modellsystem für einen Ein-Bit-Speicher verwenden die Forscher ein mikrometergroßes Glaskügelchen, das sie mit Hilfe einer optischen Pinzette einfangen. Darin kann sich die winzige Kugel in zwei verschiedenen Positionen aufhalten, entsprechend der Information »1« oder »0«. Der auf diese Weise simulierte Speicher gilt als gelöscht, wenn er unabhängig von seinem ursprünglichen Zustand auf einen bestimmten Wert, also entweder 1 oder 0, gesetzt wird. Das erreichen die Forscher in zwei Schritten: Zunächst senken sie die Potenzialbarriere zwischen den beiden möglichen Positionen ab, indem sie die Laserintensität variieren. Anschließend schubsen sie die Mikrokugel durch leichtes Kippen des Experiments relativ zu den Laserstrahlen gewissermaßen in den gewünschten Zustand.

Versuchsaufbau
Versuchsaufbau | Als Modellsystem für einen Ein-Bit-Speicher verwenden die Forscher ein mikrometergroßes Glaskügelchen, das sie in einer optischen Falle einfangen.

Während des gesamten Löschvorgangs hielten die Wissenschaftler um Lutz die Position des Kügelchens mit einer Kamera fest. Anhand der beobachteten Bahn berechneten sie dann die bei der Bewegung in Wärme umgewandelte Energie und mittelten die Ergebnisse über rund 600 Löschzyklen. Die Menge nähert sich demnach der vom Landauer-Prinzip gesetzten Grenze an, überschreitet diese aber nie. Die Experimente demonstrieren damit eine der grundlegenden physikalischen Einschränkungen von irreversiblen Operationen, schreiben die Forscher. Hierbei kann anhand des Endergebnisses nicht mehr auf den Anfangszustand geschlossen werden, es gehen also Informationen verloren. Die meisten heutigen Computer basieren auf irreversibler Logik.

10. KW 2012

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 10. KW 2012

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