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    Un equipo de investigación descubre un efecto cuántico único al borrar información

    Se puede codificar un poco de información en la posición de una partícula (izquierda o derecha). Un demonio puede borrar un bit clásico (azul) levantando un lado hasta que la partícula esté definitivamente a la derecha. Una partícula cuántica (roja) también puede hacer un túnel debajo de la barrera, que genera más calor. Crédito:Trinity College Dublin

    Los investigadores de Trinity han descubierto un efecto cuántico único en el borrado de 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.

    La termodinámica de la computación pasó a primer plano en 1961 cuando Rolf Landauer, luego 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 que la información no es abstracta y está codificada en hardware físico.

    El "bit" es la moneda corriente de la información (puede ser cero o uno) 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 entre la teoría de la información y la termodinámica.

    El grupo QuSys del profesor John Goold en Trinity está analizando este tema teniendo en cuenta la computación cuántica, donde un bit cuántico (un qubit, que puede ser cero y uno al mismo tiempo) se borra.

    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 dar lugar a grandes desviaciones en la disipación del 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 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 está formada por átomos y derivando 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 propias leyes de la termodinámica, puede entenderse por el comportamiento medio de los constituyentes atómicos de la materia. La segunda ley de la termodinámica se refiere a algo llamado entropía que, en una palabra, es una medida del trastorno en un proceso. La segunda ley nos dice que en ausencia de una intervención externa, todos los procesos en el universo tienden, de media, para aumentar su entropía y alcanzar un estado conocido como equilibrio térmico.

    "Nos dice que, cuando se mezcla, 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. No hay escapatoria:todas las cosas alcanzarán el equilibrio, incluso tú."

    Sin embargo, los padres fundadores de la mecánica estadística intentaron hacer agujeros en la segunda ley desde el principio de la teoría cinética. Considere nuevamente el ejemplo de un gas en equilibrio:Maxwell imaginó un ser hipotético "de dedos limpios" con la capacidad de rastrear y clasificar partículas en un gas en función de su velocidad.

    El demonio de Maxwell, como el ser se dio a conocer, podría abrir y cerrar rápidamente una trampilla en una caja que contiene un gas, y deje que las partículas calientes pasen por un lado de la caja, pero limite las frías al otro. Este escenario parece contradecir la segunda ley de la termodinámica, ya 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 información? Bien, Pasaron otros 20 años hasta que se apreció por completo, 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 982 Bennett argumentó que el demonio debe tener memoria, y que no es la medida sino el borrado de la información en la memoria del demonio 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 liderado 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 cero y uno al mismo tiempo).

    El profesor Goold explica:"En realidad, las computadoras funcionan bien lejos del destino de Landauer para la disipación de calor porque no son sistemas perfectos. Sin embargo, Todavía es importante pensar en el límite porque a medida que continúa la miniaturización de los componentes informáticos, ese límite se hace cada vez más cercano, y se 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 obtienen eventos muy raros que disipan el calor mucho más que el límite de Landauer.

    "En el papel, 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 sigue planteando cuestiones fundamentales sobre las leyes de la naturaleza ".


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