Landauers princip är ett termodynamiskt begrepp som även är relevant inom informationsteorin och som säger att radering av en bit information från ett informationssystem resulterar i dissipation av minst en viss mängd (dvs. kBTln2) energi. Denna princip har hittills främst beaktats i samband med klassiska datorer och informationsbehandlingssystem.
Men forskare vid TU Wien, Freie Universität Berlin, University of British Columbia, University of Crete och Università di Pavia har nyligen utvidgat Landauers princip till kvantmånga-kroppssystem, system som består av många interagerande kvantpartiklar.
Deras artikel, publicerad i Nature Physics, introducerar en genomförbar metod för att experimentellt undersöka denna viktiga princip i ett kvantregime och testa teoretiska förutsägelser som har sin grund i kvanttermodynamiken.
”Det har länge varit känt att begreppen termodynamik och information är djupt sammanflätade”, säger Jens Eisert, seniorförfattare till artikeln, till Phys.org.
”Pionjärer som Boltzmann och Gibbs vägleddes av djupa insikter om hur vår kunskap om ett system formar dess meningsfulla beskrivning – en förståelse som senare berikades av Shannons grundläggande arbete inom abstrakt informationsteori. I grunden styr information beteendet hos termodynamiska system och avgör om energi kanaliseras till nyttigt arbete eller försvinner som värme.”
Två olika tankeexperiment som utfördes av fysikerna James Clerk Maxwell och Leo Szilard på 1860-talet respektive 1920-talet var bland de första som introducerade idén att termodynamik uppstår från ofullständig information. Denna idé utmanade i slutändan tidigare teorier och beskrev paradoxer som uppstår under vissa hypotetiska antaganden om en persons tillgång till information i ett system.
Den senaste studien av Eisert och hans kollegor bygger på dessa tidigare arbeten, samtidigt som den utnyttjar en experimentell plattform som utvecklats av Jörg Schmiedmayer. Denna plattform består i huvudsak av en atomchiparkitektur som erbjuder exceptionell kontroll över ultrakalla atomer i kontinuerliga miljöer.
”Vårt intresse fokuserade på hur begrepp som informationsradering och värmeproduktion kan manifestera sig i detta unikt justerbara kvantregime”, säger Eisert. ”Detta ledde oss naturligt till Landauers princip, som hävdar att radering av information nödvändigtvis innebär avgivning av värme till omgivningen – en grundläggande koppling mellan termodynamik och information.”
Landauers princip har studerats ingående tidigare och behöver därför inte verifieras i en experimentell miljö. Istället ville forskarna utforska dess implikationer i samband med kvantmångkroppssystem, eftersom detta skulle kunna berika både förståelsen av principen och av de studerade systemen.
”Det är just med detta perspektiv – både teoretiskt och experimentellt – som vi började undersöka”, förklarar Eisert. ”I vårt arbete följer vi noggrant tidsutvecklingen av ett kvantfält som utsätts för en global masskylning – från en massiv till en masslös Klein–Gordon-modell, en prototypisk kvantfältteori. Vi analyserar de termodynamiska och informationsteoretiska bidragen till generaliserad entropiproduktion över olika system–miljö-partitioner i det sammansatta systemet.”
För att testa Landauers princip i ett komplext kvantsystem använde Eisert och hans kollegor en kvantfältssimulator, ett system som kan användas för att simulera kvantmekaniskt styrda partiklar och fält. Deras simulator baserades på ultrakalla Bose-gasatomer, som är kända för att bete sig som kvantsystem när de kyls ned till temperaturer nära absolut noll. Det experimentella arbetet för denna studie utfördes vid ett ledande laboratorium under ledning av Jörg Schmiedmayer vid TU Wien.
Det är anmärkningsvärt att resultaten av teamets kvantsimuleringar stämde överens med förutsägelser som grundar sig på kvantfältteorin, ett ramverk som beskriver partiklars och fälters beteende utifrån kvantmekanikens lagar. För att förklara sina resultat kombinerade forskarna klassiska fysikteorier med kvantkorrigeringar och använde därmed ett semiklassiskt kvantpartikelramverk.
”Metodologiskt möjliggörs detta av ett dynamiskt tomografiskt rekonstruktionsschema som vi har utvecklat gemensamt, som utnyttjar utvalda exempel på tidsutveckling för att få tillgång till och rekonstruera kvantegenskaper som annars är oförenliga”, säger Eisert. ”Vår studie hjälper oss först och främst att bättre förstå hur Landauers princip manifesterar sig i denna kvantfältteoretiska miljö, som en grundläggande insikt om naturen.
”Mer tekniskt sett hjälper det oss dock att bättre förstå denna experimentella plattform för att vidareutveckla den till en termodynamisk motor som fungerar i eller nära kvantmekanikens område.”
Denna studie belyser potentialen hos kvantsimulatorer baserade på ultrakalla atomer för att undersöka begrepp som har sina rötter i kvanttermodynamiken. I framtiden kan den inspirera andra forskargrupper att utföra liknande experiment, vilket i sin tur kan bidra till utvecklingen av nya kvantprocessorer och annan kvantteknik.
”Nu vill vi tillsammans utforska denna plattform bättre, utveckla den till en termisk maskin och se hur kvantmekanisk sammanflätning och kvantkorrelationer fungerar”, tillägger Eisert. ”Det är en fascinerande lekplats för detta.”
Mer information: Stefan Aimet et al, Experimentellt undersöker Landauers princip i kvantmångkroppsregimen, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02930-9
