Lần đầu tiên các nhà vật lí đã đo được lượng nhiệt nhỏ xíu giải phóng khi một bit dữ liệu bị xóa. Mặc dù giá trị nhiệt lượng đó đã được tiên đoán lần đầu tiên hồi 50 năm trước, nhưng nó quá nhỏ nên việc nó tỏ ra là không thể - mãi cho đến hiện nay. Thí nghiệm làm bẫy một hạt nhỏ xíu trong một giếng đôi do một laser tạo ra và theo dõi chuyển động của nó khi nó lật giữa các giếng. Thí nghiệm đặt ra một giới hạn dưới đối với năng lượng tiêu hao bởi mạch lôgic, cái có thể ảnh hưởng đến thiết kế của các dụng cụ điện tử trong tương lai.
Trong hàng thập kỉ qua, các nhà vật lí và nhà khoa học máy tính đã tạo dựng các liên hệ giữa nhiệt động lực học và lí thuyết thông tin. Vào năm 1961, nhà vật lí người Mĩ gốc Đức Rolf Landauer đã suy luận rằng việc xóa vĩnh viễn thông tin sẽ làm tiêu hao nhiệt. “Nguyên lí Landauer”, như nó được gọi, áp dụng cho các quá trình điện toán trong đó số lượng bit thông tin giảm khi phép tính diễn ra – cái xảy ra trong mọi máy vi tính thông thường.
Một ví dụ quan trọng của sự xóa vĩnh viễn là quá trình “reset về một”, nhờ đó một bit lưu giữ thông tin, có thể là 0 hoặc 1, được reset lại là 1. Khi thông tin do bit lưu giữ bị phá hủy, thì nội dung này không còn hồi phục được nữa vì, một khi bit được lập là 1, chúng ta không có cách nào biết được giá trị trước đó của nó.
Về cơ bản, cái xảy ra là entropy – hay mức ngẫu nhiên – của bit đó đã giảm đi. Và vì bit đó và xung quanh nó là những thực thể vật lí phải tuân theo các định luật của nhiệt động lực học, nên entropy này phải truyền từ bit đó sang xung quanh nó dưới dạng nhiệt. Thật vậy, theo lí thuyết Landauer, lượng nhiệt tối thiểu – chừng 10-21 J/bit bị xóa – phải bị tiêu hao khi thông tin bị phá hủy. Thật không may, các nhà vật lí phải chật vật trước việc xác nhận tiên đoán này vì 10-21 J/bit bị xóa là nhỏ hơn 1/1000 lượng điện năng tiêu hao khi một dụng cụ silicon hiện đại bị reset.
Việc xóa dữ liệu tốn nhiều năng lượng hơn bạn nghĩ. (Ảnh: iStockphoto.com/yenwen)
Hạt silica nhỏ xíu
Nay Eric Lutz tại trường Đại học Augsburg, cùng với Sergio Ciliberto và các đồng sự tại trường Ecole Normale Supérieure de Lyon, và Raoul Dillenschneider tại trường Đại học Kaiserslautern, là những người đầu tiên xác nhận nguyên lí Landauer trên thực nghiệm. Thay vì sử dụng một mạch silicon, bit dữ liệu của đội gồm một hạt silica nhỏ xíu đường kính chỉ có 2 µm dìm trong nước và bẫy bằng nhíp quang. Laser dùng để tạo ra nhíp quang tuần tự tập trung vào hai vị trí khác nhau theo kiểu liên tiếp nhanh chóng – tạo ra hai vị trí khác nhau tại đó hạt silica có thể bị bẫy. Bit được gán cho giá trị “0” khi hạt ở vị trí bên trái và giá trị “1” khi nó ở vị trí bên phải.
Có thể xem hệ là một hạt cổ điển bị bẫy trong hai giếng thế năng có hàng rào năng lượng ngăn cản hạt nhảy từ giếng này sang giếng kia. Nếu hàng rào thế rất cao so với năng lượng nhiệt của hạt, thì hạt sẽ không bao giờ nhảy ra và nội dung được lưu trữ. Nếu hàng rào thế thấp hơn so với năng lượng nhiệt, thì có khả năng hạt sẽ nhảy tới lui giữa 0 và 1. Các nhà vật lí cũng có thể làm “nghiêng” giếng thế bằng cách nâng đáy của một giếng so với giếng kia – đảm bảo rằng hạt luôn luôn dừng lại ở giếng thấp hơn.
Thí nghiệm bắt đầu với bit thông tin ở một trạng thái trong đó hạt ở trạng thái 0 hoặc 1 có xác suất ngang nhau, mang lại cho hệ một entropy ban đầu khác không. Sau đó bộ nhớ được thiết lập là 1 bằng cách hạ thấp hàng rào thế, làm nghiêng các giếng và sau đó nâng hàng rào thế lên sao cho hạt không thể nhảy giữa các giếng. Sau khi quá trình reset này đã xong, giá trị của bit chỉ có thể là 1 và do đó entropy của bit là zero.
Theo dõi hạt
Trong suốt quá trình này, vị trí của hạt được ghi lại bằng một camera tốc độ cao. Hình ảnh thu được cho phép đội tính ra năng lượng bị tiêu hao dưới dạng nhiệt khi hạt silica di chuyển. Theo Lutz, sự tiêu hao này là do ma sát khi hạt đẩy đi trên nước xung quanh. Đội cũng đã đo nhiệt tiêu hao đi cùng với sự nghiêng các giếng thế.
Quá trình này được lặp lại hàng trăm lần để thu được một giá trị trung bình cho lượng năng lượng bị tiêu hao. Sau đó, các phép đo được lặp lại sau khi thay đổi lượng thời gian cho quá trình xóa diễn ra từ khoảng 5 s đến 40 s. Đội nghiên cứu tìm thấy rằng khi thời gian đó tăng lên, nhiệt bị tiêu hao đạt tới giới hạn mà Landauer đã tiên đoán. Theo Lutz, kết quả này phù hợp với các định luật của nhiệt động lực học phát biểu rằng quá trình xóa phải diễn ra rất chậm để được mô tả bằng nguyên lí Landauer.
Giờ thì nguyên lí Landauer đã được xác nhận, Lutz hi vọng rằng vấn đề năng lượng tiêu hao ở các dụng cụ điện tử có thể được giải quyết phần nào bằng cách nghĩ ra những quá trình xóa tối ưu hóa để đạt tới giới hạn Landauer. Thật vậy, nếu sự thu nhỏ của các dụng cụ điện tử còn tiếp tục, thì các nhà thiết kế có thể chế tạo các mạch điện hoạt động ở gần giới hạn Landauer vào năm 2035.
Về lâu dài, người ta có thể tránh né giới hạn đó bằng cách triển khai những thủ tục điện toán “thuận nghịch” làm hồi phục năng lượng tổn thất dưới dạng nhiệt – cái có thể làm nhưng cực kì thách thức nếu nhìn từ quan điểm kĩ thuật.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
