Investigadores del Trinity College Dublin han descubierto un efecto cuántico único al borrar información que puede tener implicaciones significativas para el diseño de chips de computación cuántica. Su sorprendente descubrimiento devuelve a la vida el paradójico "demonio de Maxwell", que ha atormentado a los físicos durante más de 150 años.años.
La termodinámica de la computación pasó a primer plano en 1961 cuando Rolf Landauer, entonces en IBM, descubrió una relación entre la disipación de calor y operaciones lógicamente irreversibles. Landauer es conocido por el mantra "La información es física", que nos recuerda quela información no es abstracta y está codificada en hardware físico.
El "bit" es la moneda corriente de la información puede ser 0 o 1 y Landauer descubrió que cuando se borra un bit, se libera una cantidad mínima de calor. Esto se conoce como límite de Landauer y es el vínculo definitivo entreteoría de la información y termodinámica.
El grupo QuSys del profesor John Goold en Trinity está analizando este tema teniendo en cuenta la computación cuántica, donde se borra un bit cuántico un qubit, que puede ser 0 y 1 al mismo tiempo.
En un trabajo recién publicado en la revista Cartas de revisión física , el grupo descubrió que la naturaleza cuántica de la información que se va a borrar puede provocar grandes desviaciones en la disipación de calor, que no está presente en el borrado de bits convencional.
Termodinámica y el demonio de Maxwell
Cien años antes del descubrimiento de Landauer, personas como el científico vienés, Ludwig Boltzmann, y el físico escocés, James Clerk Maxwell, estaban formulando la teoría cinética de los gases, reviviendo una vieja idea de los antiguos griegos al pensar que la materia estaba formada por átomos yderivando la termodinámica macroscópica de la dinámica microscópica.
El profesor Goold dice :
"La mecánica estadística nos dice que cosas como la presión y la temperatura, e incluso las leyes de la termodinámica mismas, pueden entenderse por el comportamiento promedio de los constituyentes atómicos de la materia. La segunda ley de la termodinámica se refiere a algo llamado entropía que, en pocas palabras, es una medida del desorden en un proceso. La segunda ley nos dice que en ausencia de intervención externa, todos los procesos en el universo tienden, en promedio, a aumentar su entropía y alcanzar un estado conocido como equilibrio térmico.
"Nos dice que, cuando se mezclan, dos gases a diferentes temperaturas alcanzarán un nuevo estado de equilibrio a la temperatura promedio de los dos. Es la ley última en el sentido de que todo sistema dinámico está sujeto a ella. Hayno hay escapatoria: todas las cosas alcanzarán el equilibrio, ¡incluso tú! "
Sin embargo, los padres fundadores de la mecánica estadística estaban tratando de hacer agujeros en la segunda ley desde el comienzo de la teoría cinética. Considere nuevamente el ejemplo de un gas en equilibrio: Maxwell imaginó un ser hipotético "de dedos pulcros" con elcapacidad para rastrear y clasificar partículas en un gas en función de su velocidad.
El demonio de Maxwell, como se conoció al ser, podía abrir y cerrar rápidamente una trampilla en una caja que contenía gas, y dejar pasar partículas calientes a un lado de la caja pero restringir las frías al otro. Este escenario parece contradecirla segunda ley de la termodinámica a medida que la entropía general parece disminuir y quizás nació la paradoja más famosa de la física.
¿Pero qué pasa con el descubrimiento de Landauer sobre el costo disipado por el calor de borrar la información? Bueno, pasaron otros 20 años hasta que eso fue completamente apreciado, la paradoja resuelta y el demonio de Maxwell finalmente exorcizado.
El trabajo de Landauer inspiró a Charlie Bennett, también en IBM, a investigar la idea de la computación reversible. En 1982, Bennett argumentó que el demonio debe tener una memoria, y que no es la medición sino el borrado de la información en elmemoria que es el acto que restaura la segunda ley en la paradoja. Y, como resultado, nació la termodinámica computacional.
Nuevos hallazgos
Ahora, 40 años después, aquí es donde el nuevo trabajo dirigido por el grupo del profesor Goold pasa a primer plano, con el foco en la termodinámica de la computación cuántica.
En el artículo reciente, publicado con el colaborador Harry Miller en la Universidad de Manchester y dos becarios postdoctorales en el Grupo QuSys en Trinity, Mark Mitchison y Giacomo Guarnieri, el equipo estudió con mucho cuidado un proceso de borrado experimentalmente realista que permite la superposición cuántica el qubit puede estar en el estado 0 y 1 al mismo tiempo.
El profesor Goold explica :
"En realidad, las computadoras funcionan bien lejos del límite de Landauer para la disipación de calor porque no son sistemas perfectos. Sin embargo, es importante pensar en el límite porque a medida que continúa la miniaturización de los componentes informáticos, ese límite se vuelve cada vez más cercano yse está volviendo más relevante para las máquinas de computación cuántica. Lo sorprendente es que con la tecnología en estos días realmente se puede estudiar el borrado acercándose a ese límite.
"Preguntamos: '¿Qué diferencia hace esta característica claramente cuántica para el protocolo de borrado?' Y la respuesta fue algo que no esperábamos. Descubrimos que incluso en un protocolo de borrado ideal, debido a la superposición cuántica, se obtieneeventos muy raros que disipan el calor mucho más que el límite de Landauer.
"En el artículo demostramos matemáticamente que estos eventos existen y son una característica cuántica única. Este es un hallazgo muy inusual que podría ser realmente importante para la gestión del calor en futuros chips cuánticos, aunque hay mucho más trabajo por hacer,en particular en el análisis de operaciones más rápidas y la termodinámica de otras implementaciones de puertas.
"Incluso en 2020, el demonio de Maxwell continúa planteando preguntas fundamentales sobre las leyes de la naturaleza".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Trinity College Dublín . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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