(Phys.org) —Hace unos años, los físicos demostraron que es posible borrar información sin usar energía, en contraste con la suposición en ese momento de que borrar información debe requerir energía. En lugar de, los científicos demostraron que el costo del borrado podría pagarse en términos de una cantidad física arbitraria, como el momento angular de giro, lo que sugiere que la energía térmica no es la única cantidad conservada en termodinámica.

Investigando más esta idea, los físicos Toshio Croucher, Salil Bedkihal, y Joan A. Vaccaro en el Center for Quantum Dynamics, Universidad Griffith, Brisbane, Queensland, Australia, ahora han descubierto algunos resultados interesantes sobre las pequeñas fluctuaciones en el costo de giro de borrar información. El trabajo podría conducir al desarrollo de nuevos tipos de motores térmicos y dispositivos de procesamiento de información.

Como explican los científicos en un nuevo artículo publicado en Cartas de revisión física , la posibilidad de que la información se pueda borrar con un coste energético cero es sorprendente al principio debido al hecho de que la energía y la entropía están tan estrechamente relacionadas en termodinámica. En el contexto de la información, el borrado de información corresponde al borrado de la entropía (o una disminución de la entropía) y, por lo tanto, requiere una cantidad mínima de energía, que está determinada por el principio de borrado de Landauer.

Dado que el principio de borrado de Landauer es equivalente a la segunda ley de la termodinámica, el esquema de borrado de energía cero que utiliza cantidades conservadas arbitrarias puede considerarse como una segunda ley generalizada de la termodinámica. Esta idea se remonta al menos a 1957, cuando E. T. Jaynes propuso una alternativa a la segunda ley en la que se piensa en la energía térmica de una manera más general de lo habitual, de modo que el calor incorpora otros tipos de cantidades conservadas.

Aplicar este marco al borrado de información, en 2011, Vaccaro y Stephen Barnett demostraron que el costo energético del borrado de información se puede sustituir con una o más cantidades conservadas diferentes, específicamente, momento angular de giro.

Una diferencia importante entre la energía térmica y el momento angular de giro es que, mientras que el calor puede o no cuantificarse, El momento angular de giro es una propiedad intrínsecamente mecánica cuántica, y así siempre se cuantifica. Esto tiene implicaciones cuando se trata de tener en cuenta las pequeñas fluctuaciones en estas cantidades que se vuelven significativas al diseñar sistemas a nanoescala.

Los científicos han investigado recientemente estas fluctuaciones en el contexto del principio de Landauer, donde encontraron que estas fluctuaciones son rápidamente suprimidas por algo llamado igualdad Jarzynski. Esto significa que las fluctuaciones de la energía térmica tienen solo una probabilidad muy pequeña de violar el principio de Landauer.

En el nuevo estudio, los científicos han investigado por primera vez las correspondientes fluctuaciones discretas que surgen cuando se borra información mediante el giro.

Entre sus resultados, Los investigadores encontraron que las fluctuaciones discretas se suprimen incluso más rápidamente de lo que predice el correspondiente Igualdad de Jarzynski para "spinlabor", un nuevo término que los científicos idearon y que significa el equivalente en spin del trabajo. Esta es la primera evidencia de superar este límite en un contexto de borrado de información. La supresión rápida significa que las fluctuaciones tienen una probabilidad extremadamente baja de usar menos del costo mínimo requerido para borrar información usando el giro, según lo dado por el límite de Vaccaro-Barnett, que es el equivalente de giro del principio de Landauer.

"Nuestro trabajo generaliza las relaciones de fluctuación para el borrado utilizando cantidades conservadas arbitrarias y expone el papel de la discreción en el contexto del borrado, "Bedkihal dijo Phys.org . "También obtuvimos una probabilidad de límite de violación que es más estricta que el límite de Jarzynski correspondiente. Este es un resultado estadísticamente significativo".

Los científicos también señalan que este proceso de borrar información con giro ya ha sido demostrado experimentalmente, aunque parece haber pasado desapercibido. En bombeo óptico de intercambio de espín, la luz se usa para excitar electrones en un átomo a un nivel de energía más alto. Para que los electrones regresen a su nivel de energía más bajo durante el proceso de relajación, los átomos y los núcleos chocan entre sí e intercambian espines. Este proceso de disminución de entropía puede considerarse análogo a borrar información a costa del intercambio de espines.

En general, Los nuevos resultados revelan información sobre la termodinámica del espín y también podrían orientar el desarrollo de aplicaciones futuras. Estos podrían incluir nuevos tipos de motores térmicos y dispositivos de procesamiento de información basados ​​en el borrado que utilizan métodos económicos, recursos disponibles localmente, como el momento angular de giro. Los investigadores planean seguir buscando estas posibilidades en el futuro.

"El mecanismo de borrado se puede utilizar para diseñar motores térmicos generalizados que operan bajo los depósitos de múltiples cantidades conservadas, como un depósito térmico y un depósito giratorio, "Bedkihal dijo." Por ejemplo, se pueden diseñar motores térmicos utilizando sistemas semiconductores de puntos cuánticos en los que las vibraciones reticulares constituyen un depósito térmico y los espines nucleares constituyen un depósito de espín polarizado. Estos motores térmicos van más allá del motor térmico tradicional de Carnot que funciona bajo dos depósitos térmicos ".

© 2017 Phys.org