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Ein Dämon, Computer und die Energie

Quantenkälte und die Endlichkeit von Information

In noch einem anderen, mit der digitalen Revolution verbundenen Zusammenhang spielt die absolute Temperatur eine wichtige Rolle. Sie stellt nicht nur eine Beziehung zwischen der Energie und der Entropie eines Systems her, sie ist auch von essenzieller Bedeutung für die Verarbeitung
von Information.

Rechenzentrum
Der enorme Energieverrbauch der Rechenzentren limitiert die von ihnen verarbeitbare Informationsmenge. © scanrail/ iStock

Rechenzentren, Wärme und CO2

Eine der unausgesprochenen Voraussetzungen der Entwicklungen von Cloud­Computing, Industrie 4.0 und künstlicher Intelligenz ist die Annahme, dass sich Information unbegrenzt vermehren lässt und ohne weitere Einschränkungen prozessiert werden kann. Dem ist nicht so. Bereits jetzt sind – abhängig von der Art der Berechnung – Computersysteme, das Internet und die Vielzahl von Cloud­Diensten für fünf bis zehn Prozent des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich.

Bildlich gesprochen entsteht in irgendeinem Computerzentrum jedes Mal ein kleines CO2­Wölkchen, wenn man bei Google für eine Suchanfrage die Enter­Taste drückt. Der tiefere Grund hierfür liegt darin, dass jegliche Information im digitalen Zeitalter durch physikalische Systeme repräsentiert wird. Und die Vernichtung dieser Information erfordert ein durch die Temperatur des Systems festgelegtes Quantum an Energie. Konkret setzt der Rechner bei jedem Löschen eines Bits eine kleine Menge an Wärme und damit Energie frei.

Der Maxwellsche Dämon

Der amerikanische Physiker Rolf Landauer hat dies im Jahr 1961 in seinem mittlerweile berühmt gewordenen Prinzip formuliert und damit die Grundlage dafür gelegt, dass Information, Energie und Entropie auf derselben Ebene gedacht werden müssen. Diese Einsicht erlaubte dem amerikanischen Physiker Charles Bennett in den 1980er­Jahren den Exorzismus des „Maxwell’schen Dämons“.

Maxwellscher Dämon
Der Maxwellsche Dämon in Aktion. © Htkym/CC-by-sa 3.0

Bei diesem Gedankenexperiment soll ein Wesen mit unbegrenzter Informationskapazität ein Gas ohne Arbeitsaufwand in einen kälteren und einen wärmeren Anteil teilen – beispielweise indem der Dämon die Gasteilchen über ein kleine Schwingtür zwischen zwei Behältern hin und her sortiert. Theoretisch könnte der dadurch entstehende Temperaturunterschied nun mithilfe einer Wärmekraftmaschine zur Energieerzeugung genutzt werden. Allerdings würde dies den Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen – es wäre ein Perpetuum Mobile.

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Aus Landauers Prinzip folgt jedoch: Der Dämon würde für seine Sortierarbeit genau die Energie benötigen, die hinterher wieder gewonnen werden könnte. Denn er verändert den Informationsgehalt des Gases und das ist laut Landauer mit Energieaufwand verknüpft. Anders ausgedrückt: Die „Schwingtür“ zwischen den Beiden Gasbehältern schwingt bei jedem Durchschleusen eines Teilchens wieder zurück und lässt ein Gasteilchen in Gegenrichtung durch.

Das Limit ist absehbar

Eine für unsere Zeit wichtige Konsequenz ist, dass wir über Nachhaltigkeit in Bezug auf die endliche Ressource Information ähnlich nachdenken müssen, wie wir dies bereits für die Energieversorgung tun. Auch wenn der stetig zunehmende Energieverbrauch heutiger Computer noch weit von diesem Landauer­Limit entfernt ist, ist bereits absehbar, dass diese Grenze in absehbarer Zukunft erreicht werden könnte. Daher werden bereits jetzt weltweit neue Wege der Informationsverarbeitung erforscht, die Energie effizienter nutzen.

Gehirn
Unser Gehirn ist beim Umgang mit Information extrem ressourcensparend – ein bislang unerreichtes Vorbild. © lagereek/ thinkstock

Ein Beispiel für den schonenden Umgang mit Ressourcen bietet das Gehirn: Es benötigt für all die komplexen Aufgaben, die es zu bewältigen hat, weniger Energie als eine Glühbirne – oder 20 Smartphones. Einen radikalen Ansatz, Informationsverarbeitung neu zu konzipieren und zu realisieren, verwirklichen wir derzeit auf Basis der einmaligen Möglichkeiten, die Heidelberg bietet, im Rahmen eines weiteren „Comprehensive Projects“ innerhalb von STRUKTUREN.

Im Zentrum der Aktivitäten steht dabei die Kombination aus ultrakalten Quantensystemen – in denen Informationen reversibel und damit ohne Energieverlust verarbeitet werden können – mit neuronalen Netzwerken. Sie werden beispielsweise in der neuromorphen Plattform „BrainScaleS“ am „European Institute for Neuromorphic Computing“ in Heidelberg bereitgestellt, um die Topologie des Gehirns elektronisch nachzubilden. Und nicht zuletzt motiviert uns die Hoffnung, auf diese Weise der Natur das Geheimnis abzuringen, wie das Gehirn seine schier unglaublichen Leistungen vollbringen kann.

Autor: Matthias Weidemüller, Zentrum für Quantendynamik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Das kälteste Gas des Universums
Forschung im Reich der ultrakalten Materie

Was ist Temperatur?
Von Atomen, Entropie und Energie

Wettlauf zum Nullpunkt
Wie kühlt man Materie bis auf nahe Null Kelvin?

Ultrakalte Quanteneffekte
Materie im Ausnahmezustand

Und der Nutzen?
Wozu sich ultrakalte Materie einsetzen lässt

Ein Dämon, Computer und die Energie
Quantenkälte und die Endlichkeit von Information

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