A teoria da termodinâmica estocástica é uma estrutura que delineia a quantidade de calor, dinâmica e entropia em pequena (ou seja, mesoscópicos) que estão longe de um estado de equilíbrio termodinâmico. Nos últimos anos, cientistas tentaram usar essa teoria para entender melhor a dinâmica subjacente a uma variedade de sistemas, incluindo partículas coloidais, DNA, RNA, enzimas, motores moleculares e dispositivos eletrônicos.

Em um artigo publicado recentemente em Cartas de revisão física , pesquisadores da Simon Fraser University combinaram a termodinâmica estocástica com outro construto conhecido como teoria de transporte ideal, com o objetivo de desvendar o custo termodinâmico associado ao apagamento de um único bit de informação de um dispositivo em um determinado período de tempo. A teoria do transporte ótimo é uma estrutura introduzida no final do século 18 que responde a perguntas como:"Se alguém tiver que mover a sujeira da pilha A para a pilha B, como deve ser transportado para minimizar o esforço necessário para transportá-lo de um local para outro? "

Cerca de uma década atrás, o físico teórico Erik Aurell e outros pesquisadores perceberam que a teoria do transporte ideal também poderia ser usada para resolver uma variedade de problemas de otimização enraizados no campo da termodinâmica. Em seu estudo recente, a equipe de pesquisadores da Simon Fraser University realizou cálculos com base em uma técnica introduzida por Aurell e seus colegas.

"Nosso artigo é baseado na estrutura geral da termodinâmica estocástica, "Karel Proesmans, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Ao combinar esta teoria com ideias da teoria do transporte ideal, é possível calcular o custo termodinâmico mínimo de um processo em não equilíbrio. Usamos essas idéias para generalizar o princípio de Landauer para processos de tempo finito. "

Princípio de Landauer, o princípio primário que descreve a termodinâmica do processamento de informações, define um limite teórico inferior para a energia consumida por um dispositivo ao realizar um determinado cálculo. Assim, também fornece um valor específico que representa o custo termodinâmico mínimo de apagar informações de um dispositivo (ou seja, kT ln2 por bit, onde k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura do ambiente circundante).

Este custo mínimo, Contudo, normalmente só é alcançado para operações executadas muito lentamente. Em seu estudo, por outro lado, Proesmans e seus colegas decidiram identificar a maneira mais eficiente possível de apagar um pouco de um dispositivo rapidamente em um determinado período de tempo.

“Nós derivamos protocolos que minimizam o trabalho necessário para apagar um pouco de informação em um determinado período de tempo, assumindo que temos controle total sobre as forças aplicadas que afetam a partícula, "Proesmans disse." Ao fazê-lo, também derivamos um limite inferior simples na quantidade de trabalho necessária para apagar um pouco. "

O estudo recente realizado por Proesmans e seus colegas levou a duas descobertas importantes. Primeiro, os pesquisadores foram capazes de calcular os limites inferior e superior da quantidade mínima de trabalho necessária para apagar um pouco de um dispositivo. No futuro, esses limites podem servir de referência para avaliar o desempenho de dispositivos de última geração e plataformas experimentais. Além disso, a estrutura proposta pelos pesquisadores pode ser usada para construir protocolos ideais para apagar bits de dispositivos eletrônicos.

"Até aqui, nos concentramos em cálculos teóricos, "Proesmans disse." Nosso próximo passo será testar nosso limite em sistemas experimentais. Em particular, veremos configurações que consistem em partículas coloidais em pinças ópticas. Outra questão interessante que gostaríamos de responder é quão bem nossos limites mudam quando se tem controle limitado sobre o sistema. "

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