Maxwells Dämon entzaubert?

  • 13. March 2012

Physiker aus Augsburg, Lyon und Kaiserslautern haben die ultimative Grenze für numerisches Rechnen und irreversibles Löschen von Information aufgezeigt.

Vor mehr als fünfzig Jahren formulierte Rolf Landauer von IBM die Hypothese, dass durch das Löschen von Information zwangsläufig eine minimale Menge an Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird und dass diese Wärme nach unten beschränkt ist. Ihr Grenzwert wird durch die Menge der gelöschten Information und die Temperatur der Umgebung bestimmt. Durch diese Hypothese etablierte Landauer eine fundamentale Beziehung zwischen Informationstheorie und Thermodynamik. Mit einem Experiment haben nun Physiker aus Augsburg, Lyon und Kaiserslautern das Landauer-Prinzip erstmals bestätigt. Die Forscher um Eric Lutz von der Universität Augsburg konnten Landauers Vorhersagen überprüfen und beweisen, dass es möglich ist, die untere Grenze der minimalen Wärme tatsächlich zu erreichen.

Abb.: Informationslöschvorgang im Doppeltopfpotential. (Bild: E. Lutz)

Abb.: Informationslöschvorgang im Doppeltopfpotential. (Bild: E. Lutz)

Die Verifikation des Landauer-Prinzips ist insoweit von großer Bedeutung, als durch sie die scheinbare Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik durch den „Maxwellschen Dämon“ aufgehoben wird. Dieser Dämon ist nach einem Gedankenexperiment des schottischen Physikers James Clerk Maxwell in der Lage, nach Beobachtung – also nach Informationsgewinn – kalte von warmen Molekülen in einer geteilten Kammer von einander zu trennen. Nach Maxwells Idee würde der Dämon mit Hilfe des Temperaturunterschieds Arbeit verrichten können, ohne selbst Energie zu investieren. Dies freilich stünde im klaren Widerspruch zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Im Experiment fingen Lutz und seine Kollegen eine Mikroglaskugel in einem Doppeltopfpotential, das mit fokussiertem Laserlicht erzeugt wurde, ein. Diese Versuchsanordnung entsprach einem einfachen Zwei-Niveau-System, in dem ein Bit Information speichern ließ (Kugel rechts ist Zustand 0 und Kugel links Zustand 1). Die im System ursprünglich gespeicherte Information wurde gelöscht, wenn eine Kugel kontrolliert in einem Topf landete. Die Physiker maßen die dissipierte Wärme dieses Prozesses. Dabei war zu beobachten, dass die Wärmmenge stets größer blieb als die Landauer-Grenze. Diese wurde erst erreicht als die Physiker den Löschvorgang der Information langsamer vollzogen.

Die Ergebnisse der Forscher sind nicht nur von theoretischer, sondern auch von praktischer Relevanz. In der Computerindustrie geht der Trend zu immer kleineren Mikrochips. Die Wärmeproduktion in diesen Chips wird allerdings zu einem immer größeren Problem, da sie sowohl die Leistung von Rechnern einschränkt als auch deren weitere Miniaturisierung erschwert. Gegenwärtig liegt die dissipierte Wärme in siliziumbasierten Schaltkreisen ungefähr tausendmal über der Landauer-Grenze. Doch bereits in den nächsten zwanzig Jahren könnte diese Grenze fallen. Demnach werden sich auch Computeringenieure in Kürze mit der fundamentalen Grenze Landauers beschäftigen müssen.

Die Arbeiten Landauers sind in der Fachwelt zwar weithin akzeptiert, aber nicht unumstritten. Wissenschaftsphilosophen wie Orly R. Shenker von der Hebrew University of Jerusalem werfen Landauer beispielsweise vor, die Begriffe der Dissipation, die in der Informationstheorie und der Thermodynamik verwendet werden, in unzulässiger Weise zu verknüpfen.

U. Augsburg / P. Hummel

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