Kvantové čipy se v budoucnu ochladí i bez chladiče

Karel Javůrek  |  Věda

Všechny současné čipy generují ztrátové teplo, které je nutné odvádět a čip chladit. Kvantový svět ale možná přinese kompletní změnu.

Ať už máte na klíně svůj notebook, nebo používáte na náročnější úkoly chytrý mobilní telefon nebo tablet, určitě jste si všimli znatelného zahřívání. Všechny elektronické komponenty včetně složitých čipů vyzařují teplo a čipy které ho vydávají, je nutné chladit.

Nejedná se přitom o vlastnost materiálu nebo konstrukce, ale v úplném základu fyzikální zákony o zpracování a přenosu informací v jakékoli formě.

Limitující teplo

Teplo generované ze složitých integrovaných obvodů je jedním z limitů, které nás omezují při vývoji výkonnějších čipů. V současnosti se stále jedná o dvourozměrné čipy, pomalu se ale začíná přecházet na trojrozměrnou strukturu, která přinese opět nové výzvy v oblasti chlazení. Různé systémy nanokanálků s vodivou látkou budou přenášet teplo z vnitřních částí čipu na okraj, kde již budou připravené chladiče. Podobný systém ostatně používá i lidské tělo.

Budoucí čipy začnou využívat i kvantových jevů. U nich je teplo, respektive silné elektromagnetické záření, ještě větší problém než u současných technologií. Dnešní kvantové čipy musí být chlazené k teplotám blízkým absolutní nule a musí být chráněné několika vrstvami silného stínění z různých materiálů.

Tým vědců ze Švýcarska, Velké Británie a Singapuru ale tvrdí, že s kvantovými stavy není vše tak jednoznačné. Že se otevírají se zcela nové možnosti.

Landauerův princip nemusí platit

Rolf Landauer: „Teoreticky lze u paměti při pokojové teplotě dosáhnout změny jedné miliardy bitů za jednu sekundu se spotřebou 0,00000000000285 W“

Zákony a výzkum v oblasti entropie a teorie informací jsou jednou ze stěžejních částí fyziky, bez které bychom nebyli tam, kde jsme. Už v roce 1961 Rolf Landauer zveřejnil princip, který se zaměřuje na energetickou náročnost změny informace – ať už se jedná o výpočet nebo o uložení dat.

Tým vědců však přišel na to, že Landauerův princip nemusí být vždy určující, což se snaží dokázat při „vymazání dat“. Podle nich platí pouze tehdy, když je hodnota bitů neznámá. Pokud však jsou jednotlivé bity informací známé, je smazání vratný proces. A ten už není tímto principem omezen.

Podle Renato Rennera (jeho publikace) nemá míra entropie jednoznačnou hodnotu, ale je vždy závislá na pozorovateli. Když se tedy dvě rozdílné osoby pokusí smazat stejná data v imaginární paměti a jedna z nich bude mít o vlastnostech a obsahu více informací (míra entropie bude pro ni nižší), bude potřebovat méně energie. Pokud pozorovatel má o daném systému kompletní informace, je pak entropie nulová.

Negativní entropie a ochlazující se čipy

Vzhledem k tomu, že s tím souvisí i termodynamická entropie, teoreticky lze dosáhnout i stavu, že ke smazání informací nebude potřeba žádná energie. Díky kvantovému svázání, kdy jsou k dispozici více než kompletní informace o obsahu paměti (více než v případě klasické korelace), lze dosáhnout také negativní entropie. Tato doposud pouze matematická zajímavost může mít nyní reálné použití.

Znamenalo by to totiž, že čip začne místo vyzařování tepla fungovat obráceně – při odstranění tepla (energie) dojde ke smazání dat. Nelze ale čekat perpetuum mobile, protože proces lze provést pouze jednou (ztratí se kvantové provázání) a nedá se použít pro neustálou výrobu energie.

Budoucí znalosti přinesou převratné kvantové čipy

Jedná se jen o teorii, která jistě nenajde uplatnění ani v nejbližších deseti letech. Ukazuje ale na nedokonalost informací, se kterými pracujeme a které nelze pro kvantové jevy použít; respektive nejsou tak limitující, jak u klasické fyziky.

Představme si kvantový superpočítač budoucnosti, který nebude potřebovat žádné chlazení, naopak bude tekutiny ve vodním chlazení ochlazovat. To v případě, když bude známý jeho kompletní obsah, což lze provést teprve na úrovni jednotlivých atomů (jeden bit – jeden atom), a s využitím kvantového svázání. Takové čipy budou samozřejmě fungovat na zcela jiných technologiích, než současné a stále experimentální kvantové počítače.

Znalosti a propojení entropie s teorií informací se v budoucnosti jistě stane významnou oblastí zájmů i dalších vědeckých týmů. Především kvůli kvantovým počítačům, sítím, šifrování atd. Jednou se proto určitě dočkáme revolučních objevů aplikovatelných do praxe. V nejbližších letech s tím ale rozhodně nepočítejme.

Nejčtenější