Koele berekening

Share Button

Computers gebruiken veel energie bij hun berekeningen. Daarbij komt warmte vrij en daarom zit er een lawaaiige ventilator in een pc. Een aantal theoretisch natuurkundigen heeft nu echter iets heel merkwaardigs ontdekt: een computer die afkoelt door te rekenen. De implicaties zijn enorm: er is geen fundamenteel verschil tussen de chaos op je harde schijf en die op je kamer. Welkom in The Matrix…

Rekenen kost vrije energie
Als computers een berekening uitvoeren, eindigt hun energie uiteindelijk als afvalwarmte. De Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica is op dit punt onwrikbaar. Informatie en entropie (wanorde) zijn namelijk nauw met elkaar verbonden. Als een berekening informatie toevoegt, verhoogt dit de entropie dus komt er warmte vrij. Dit blijkt echter toch niet helemaal te kloppen, althans bij enkele bizarre berekeningen.

Koud kwantumkunstje

Supercomputers zullen over tien tot twintig jaar zo snel rekenen dat ze hun hitte niet meer snel genoeg af kunnen voeren. Natuurkundigen hebben nu een oplossing gevonden voor deze IT-"hittedood".

Supercomputers zullen over tien tot twintig jaar zo snel rekenen dat ze hun hitte niet meer snel genoeg af kunnen voeren. Natuurkundigen hebben nu een oplossing gevonden voor deze IT-"hittedood".

Professor Renato Renner van de Zwitserse ETH en collega Vlatko Vedral van het Centre for Quantum Technologies van de National University of Singapore en de University of Oxford, UK beschrijven in het wetenschappelijke toptijdschrift Nature hoe het verwijderen van data onder bepaalde omstandigheden tot afkoeling in plaats van tot verhitting kan leiden. Het koelingseffect duikt op wanneer het vreemde kwantumfenomeen kwantumverstrengeling (onze lezers  welbekend) opduikt. Uiteindelijk kan het effect worden gebruikt om supercomputers te koelen die anders door een te hoge hitteproductie in de problemen komen. “De controle op kwantumniveau krijgen die vereist is om dit in supercomputers te implementeren is een grote technische uitdaging, maar onmogelijk is het waarschijnlijk niet. We hebben de afgelopen twintig jaar een enorme vooruitgang in kwantumtechniek gezien,” aldus Vedral. Met de techniek in moderne kwantumfysica-labs, zou het in principe mogelijk zijn het werkingsprincipe aan te tonen bij een paar bits data.

Landauer’s principe: vergeten maakt heet
Natuurkundige Rolf Landauer toonde in 1961 aan dat tijdens het wissen van data, het vrijkomen van warmte onvermijdelijk is. Landauer’s Principe, zoals het daarna is komen te heten, impliceert dat als meer dan een bepaald aantal rekenstappen per seconde  in een zeker systeem plaatsvindt, de hitte niet meer voldoende snel ontsnappen en de computer oververhit raakt. In de supercomputers van nu zijn andere hittebronnen (elektriasche weerstand bijvoorbeeld) belangrijker, maar Renner denkt dat binnen tien tot twintig jaar computers zo snel en zuinig worden dat Landauers hitte beperkend wordt binnen de volgende tien tot twintig jaar.

De vrijkomende Landauerhitte bij het wissen van een harde schijf van tien terabyte staat gelijk aan slechts een microjoule (de energie die nodig is om een stofje een meter op te tillen). Als dit echter heel veel keren (bijvoorbeeld een miljard) keren per seconde gebeurt, dan komt er uiteraard een enorme hoeveelheid hitte vrij (in dit geval duizend watt, het vermogen van een stofzuiger). Niet erg prettig op een warme dag.

Ze laten zien dat als de te verwijderen bits worden kwantumverstrengeld met de waarnemer, de waarnemer zelfs warmte aan het systeem kan onttrekken terwijl hij de bits wist. Kwantumverstrengeling verbindt de kwantumstatus van de waarnemer op een zodanige manier met de computer, dat hij meer over het geheugen weet dan mogelijk in de klassieke natuurkunde.

Computerentropie en natuurkundige entropie zijn exact gelijk
Het woord entropie komt in twee wetenschappen voor: natuurkunde en informatietheorie. Informatietheorie is een vorm van toegepaste wiskunde. In informatietheorie is entropie een maat van de informatiedichtheid. Als je een tekstbestandje opent, is de tekst makkelijk leesbaar. Als je het tekstbestandje met een ZIP-programma samenperst, verandert de tekst in een compacte brij ruis. Hoe meer informatie de tekst bevat, hoe groter het ZIP-bestand. Een tekstbestand dat uit honderdduizend letters a bestaat is dus in zipvorm maar enkele bytes groot, terwijl een even groot tekstbestand dat je onvoltooide meesterlijke roman bevat, tientallen kilobytes groot zal zijn (dus een veel grotere entropie heeft). Voel je overigens niet gevleid. De entropie van honderdduizend random ingeklopte letters en cijfers is nog veel groter.

In thermodynamica (warmteleer) staat entropie gelijk aan wanorde. Zo is de entropie van een flesje met wasbenzine veel kleiner dan die van de wasbenzine, als die door de hele kamer is verspreid. Als die wasbenzine vervolgens ontploft neemt de entropie trouwens nog meer toe). Een toename in entropie (bij gelijkblijvend aantal atomen) betekent gewoonlijk een toename in de hoeveelheid hitte. Niet altijd, verdampen van een vloeistof verhoogt bijvoorbeeld de entropie maar verlaagt de warmte.

ETH-natuurkundige Renner stelt, dat hiermee aangetoond is dat de begrippen entropie uit de informatica en thermodynamica exact hetzelfde betekenen. Natuurkundigen vermoedden dit al omdat de formules waarmee deze vormen entropie worden uitgerekend als twee druppels water op elkaar lijken. In beide gevallen wordt entropie namelijk gedefinieerd als een soort gebrek aan kennis.

Wat voor de een wanorde is, is voor de ander kennis
De entropie van een bepaald object hangt altijd af van de waarnemer. Als je het ZIP-bestand met een wachtwoord hebt vergrendeld (of een ander niet weet dat het om een ZIP-bestand gaat) lijkt het voor een ander een onleesbare brij data met een enorme entropie. Als het gaat om een kopie van een al bestaand tekstbestand en dat weet je, dan heeft het een informatie-inhoud van nul voor jou en kan je het weggooien. Voor je vriend, die je je meesterwerk wil laten lezen heeft het een enorme informatieinhoud omdat hij de inhoud nog niet kent.

Dit proces heeft, zo blijkt, nu zelfs een kwantummechanische equivalent. Als een waarnemer verstrengeld is met de data ‘kent’ zij de data en kan zij de data verwijderen zonder dat dit informatieverlies inhoudt. Entropie in kwantummechanica heeft (zoals wel vaker in de kwantummechanica) de absurde eigenschap dat deze negatief kan zijn. Iets voor meer dan 100% zeker weten dus. Hoewel in het dagelijks leven mensen deze woorden vaak gebruiken (kwantumlogica bij mensen?) is kennis in het dagelijks leven nooit groter dan volledig, 100% dus. Als de waarnemer en het kwantumsysteem volledig zijn verstrengeld, weet de waarnemer meer dan zeker wat er in de data staat. Door de data te wissen, neemt de entropie dan vervolgens af.

Geen afvalwarmte, zelfs afkoeling
In het geval van een entropie van nul (volmaakte kennis van wat er in het computergeheugen staat) kost het wissen van een computergeheugen in theorie helemaal geen energie. De onderzoekers bewezen met hun werk dat “meer dan complete kennis” van kwantumverstrengeling met het geheugen (negatieve entropie) leidt tot het verwijderen van de data tegelijk met het afvoeren van afvalwarmte uit de computer, die tegelijkertijd volledig als vrije energie kan worden gebruikt. De natuurkundige betekenis van negatieve entropie.

Helaas (?) betekent dit volgens Renner geen perpetuum mobile. De data kan slechts één maal worden verwijderd. Het proces vernietigt ook de kwantumverstrengeling en om het systeem weer in zijn begintoestand te brengen moet vrije energie verbruikt worden. Kortom: de tweede hoofdwet blijft overeind, al is het op het nippertje. In de woorden van collega Vedral: “We werken op het randje van de Tweede Hoofdwet. Ga je ook maar iets verder, dan overtreedt je deze.”

Fundamentele bevindingen

Nu beide vormen van entropie fundamenteel gelijk aan elkaar blijken te zijn, kan heel veel onderzoekswerk uit de thermodynamica worden gecopypaste in de wereld van bits en bytes en andersom. Heel interessant is uiteraard om de rol van kwantumverstrengeling verder uit te spitten. Eerder schreven we al over Yasuhiro Hotta’s werk. Hij toonde aan dat energie kan worden geteleporteerd, maar dat daardoor wel kwantumverstrengeling verbruikt wordt. Iets dergelijks lijkt ook hier te gebeuren. Door kwantumverstrengeling te verbruiken kan negatieve entropie worden omgezet in vrije energie.

Bronnen
Quantum Knowledge Cools Computers: New Understanding of Entropy, Science Daily
Lídia del Rio, Johan Åberg, Renato Renner, Oscar Dahlsten, Vlatko Vedral. The thermodynamic meaning of negative entropy. Nature, 2011; 474 (7349)
Quantum knowledge cools computers, ETH Zürich

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

11 reacties

  1. Niek schreef:

    Behoorlijk artikel!

  2. adenis schreef:

    dit gaat echt mijn pet te boven.

  3. Barry schreef:

    Bij het bovenstaand artikel heb ik enkele bedenkingen.

    Als data “verwijderd“ wordt is die data over het algemeen nog niet verdwenen van een harde schijf, je moet al minimaal 6 keer een harde schijf formatteren wil de data definitief verdwenen zijn. Dat zou dus betekenen dat dezelfde kantumverstrengelingen tot 6 keer toe gekopieerd kunnen worden voordat het niet meer mogelijk is. Het betekent dus ook dat de machine na de eerste format nog niet in zijn begintoestand zit.

    Daarentegen, als je het hebt over specifiek kwantumcomputers kan je data idd wel in 1 keer verwijderen, of beter gezegd opnieuw arrangeren. Kwantumcomputers zullen gekoeld moeten worden met waterstof wat dan zou moeten betekenen dat de computer dan langzamer gaat werken.Normaal gesproken gaan computers door koeling juist sneller werken maar als atomen moeilijker te verplaatsen zijn juist door de koeling zelf zullen ze juist langzamer werken. Het hangt er natuurlijk van af welk soort van kwantumcomputer je hebt, heb je een kwantumcomputer waarbij je de lege ruimte in de atomen opvult? Of heb je een kwantumcomputer waarbij je atomen gewoon een andere positie geeft ten opzichte van elkaar?

    Nog een bedenking voor mij is: In hoeverre kan je tegen gaan dat kwantumteleportatie van de spin in het waterstofgas gekopieerd wordt. In dat geval blijft de informatie dus gewoon bestaan.De originele eerste spin is daarmee dan wel vernietigd maar als dat miljarden keren gebeurd hoe kan je het waterstofgas dan resetten?

    • Julie schreef:

      Barry,
      Bedoel je echt koeling met waterstof? Het enigste wat gekoeld wordt met waterstof zijn generatoren groter dan 200 MW. Waterstof is bovendien niet zo veilig, denk ook aan de combinatie met zuurstof.
      En kwantumcomputers werken toch op het principe van kwantumverstrengeling i.p.v. verplaatsing?
      Wat bedoel je tenslotte met je laatste alinea?

      • Barry schreef:

        Julie,

        Om precies te zijn bedoelde ik koeling met waterstofgas maar alla…ik neem aan dat je dat wel begrepen had. Computers kunnen ook al gekoeld worden met water, de meest simpele desktops kunnen al gekoeld worden met water, datzelfde kan ook met waterstofgas. Datzelfde waterstofgas kan dan gewoon in een gesloten systeem blijven.

        Het woord kwantumcomputer is een verzamelnaam voor computers die op kwantumniveau werken. De meest bekende computer is de kwantumcomputer die werkt op kwantumverstrengeling en superpositie.

        Wetenschappers zijn nu ook al bezig met het creeeren van computers waarbij atomen gewoon van plaats veranderd worden, helaas is dit iets wat nu nog zo ver in de kinderschoenen staat dat het eigenlijk niet eens een computer genoemd kan worden alhoewel het verplaatsten van de atomen ten opzichte van elkaar gelijk staat aan het verplaatsen van informatie en rearrangeren Ook dit is een kwantumcomputer. Verder zou het ook mogelijk moeten zijn om de lege ruimte in atomen op te vullen met informatie, het is mij niet bekend of hier onderzoek in gedaan wordt, het is iets wat ik een keer gelezen heb, ik dacht dat het een commentaar of een artikel van visionair.nl was/is. Als dit ooit mogelijk wordt (ik twijfel er niet aan dat het mogelijk wordt) dan heb je gewoon weer een andere variant van een kwantumcomputer.

        Als het zich gaat om kwantumverstrengeling is op dit moment maar 1 ding onder controle te houden en dat is de duur van de verstrengeling zelf. Niet de plaats waar het andere eind van de verstrengeling op uit komt. De verst gemeten kuntmatige kwantumverstrengeling (bij mijn weten tenminste) is 1.5 meter, de verst gemeten niet kunstmatige kwantumverstrengeling is bij mijn weten 150km.

        laat ik hierbij dan een andere vraag stellen. Zwaartekracht is volgens een bekende theorie een vorm van kwantumverstrengeling. Hoe willen wetenschappers voorkomen dat kwantumcomputers de kwantumvertrengeling gaan copieren in het zwaartekrachtsveld van de aarde? Informatie heeft gewicht, je zou dus hiermee in theorie het zwaartekrachtveld van de aardbol kunnen veranderen als je genoeg computers maakt die op kwantumverstrengeling werken. Ook al heeft het 2e uiteinde van de kwantumverstrengeling zich vernietigd, het wil niet zeggen dat de informatie niet meer bestaat.

        Ik betrok dit direct op het waterstofgas omdat waterstofgas de ideale koeling zou kunnen zijn voor computers.Het gevaar even terzijde gezet, een computer met een defecte ventilator is net zo gevaarlijk als waterkoeling of waterstofgaskoeling of elke andere vorm van koeling die defect kan raken. We hebben het hier niet over desktops maar over supercomputers die angstwekkend snel heet kunnen worden als de koeling defect raakt met alle gevolgen van dien. Een logisch gevolg van het creeeren van kwantumcomputers is het creeren van kwantumcomputers die kunnen functioneren op een draadloos netwerk, kwantumteleportatie van informatie tussen meerdere computers dus. kwantumteleportatie bestaat en staat ook in zijn kinderschoenen. Een volgend punt is de kwantumencryptografie die je zeker nodig zal hebben als je een draadloos kwantumcomputernetwerk hebt, kwantumencryptografie bestaat ook al 25 jaar. Om al deze zaken goed te laten functioneren heb je extreme koeling nodig. Laat ik dan als laatste vraag stellen om mijn punt duidelijker te maken: Hoe wil je voorkomen dat (als je 2 kwantumcomputers hebt die allebei op hetzelfde principe werken) de verstrengeling zich kopieert in de andere computer?

        • Julie schreef:

          Barry, waterstof of waterstofgas; daar verandert niks door. Beter is stikstof:
          http://nl.wikipedia.org/wiki/Overklokken
          Of je laat de computer een KOELE BEREKENING maken.

        • Barry schreef:

          Julie,

          Ik weet dat stikstof beter is. Probeer eens een beetje visionair te denken. Tegen de tijd dat kwantumcomputers volledig operationeel zijn kunnen ze in de ruimtevaart gebruikt worden en tegen die tijd is stikstof niet meer het beste maar waterstofgas. Waterstofgas is overal in het universum te vinden, stikstof niet. En daar waar wel stikstof te vinden is, is er opmerkelijk minder stikstof dan waterstofgas.

        • Germen schreef:

          Ik zou dan eerder aan helium denken. Ook overal te vinden en een kookpunt van vier kelvin :)

        • Barry schreef:

          dd Germen, dan heb je niet alleen brandstof voor het ruimteschip maar kan je ook meteen in de sluis je bruine bonen koken op een campingpitje, koud koken weliswaar maar ja, en je kan de kwantumlaptop ermee koelen, wat wil je nog meer? :)

  4. Leonardo schreef:

    Een algemene vraag:

    ontwerpers zoals ik die CAD- en 3D-visualiseringssoftware gebruiken om de meest uiteenlopende en complexe objecten en hele werelden te scheppen (in de vorm van stills of als animaties) kunnen niet wachten tot er nog veel snellere computers beschikbaar zullen zijn dan nu het geval is. Zelfs de beste workstations met de snelste grafische kaarten hebben op dit moment nog de handen vol aan het uitrekenen van zaken als reflectie, refractie, licht, caustics, radiosity i.e. global illumination en dynamics. Het duurt nu nog vaak tientallen frustrerende minuten voordat een enkele afbeelding gerenderd is. Een mooi voorbeeld van de Pixar Animation Studios: het uitrekenen van sommige individuele complexe beelden uit Toy Story 3 zou op een ‘gewone’ PC 94 uur hebben geduurd!

    Zullen quantum computers deze taken sneller kunnen uitvoeren?

    Overigens stel ik voor om het woord QUMPUTERS te gaan gebruiken voor quantum computers. In de klank is het vrijwel gelijk aan de uitspraak van het woord computer, het is makkelijk in het gebruik en dekt met name als geschreven woord volledig de lading. Zegt het voort!

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger