Pesquisadores da Trinity descobriram um efeito quântico único no apagamento de informações que pode ter implicações significativas para o projeto de chips de computação quântica. Sua descoberta surpreendente traz de volta à vida o paradoxal "demônio de Maxwell, "que atormenta os físicos há mais de 150 anos.

A termodinâmica da computação foi trazida à tona em 1961, quando Rolf Landauer, então na IBM, descobriu uma relação entre a dissipação de calor e operações logicamente irreversíveis. Landauer é conhecido pelo mantra "A informação é física, "que nos lembra que as informações não são abstratas e são codificadas em hardware físico.

O "bit" é a moeda da informação (pode ser zero ou um) e Landauer descobriu que quando um bit é apagado, uma quantidade mínima de calor é liberada. Isso é conhecido como limite de Landauer e é o elo definitivo entre a teoria da informação e a termodinâmica.

O grupo QuSys do professor John Goold na Trinity está analisando este tópico com a computação quântica em mente, onde um bit quântico (um qubit, que pode ser zero e um ao mesmo tempo) é apagado.

Em trabalho recém-publicado na revista, Cartas de revisão física , o grupo descobriu que a natureza quântica das informações a serem apagadas pode levar a grandes desvios na dissipação de calor, que não está presente na eliminação de bits convencional.

Termodinâmica e o demônio de Maxwell

Cem anos antes da descoberta de Landauer, pessoas como o cientista vienense, Ludwig Boltzmann, e físico escocês, James Clerk Maxwell, estavam formulando a teoria cinética dos gases, revivendo uma velha ideia dos gregos antigos, pensando sobre a matéria sendo feita de átomos e derivando a termodinâmica macroscópica da dinâmica microscópica.

Professor Goold diz:"A mecânica estatística nos diz que coisas como pressão e temperatura, e até mesmo as próprias leis da termodinâmica, pode ser entendido pelo comportamento médio dos constituintes atômicos da matéria. A segunda lei da termodinâmica diz respeito a algo chamado entropia que, em poucas palavras, é uma medida da desordem em um processo. A segunda lei nos diz que, na ausência de intervenção externa, todos os processos do universo tendem, na média, para aumentar sua entropia e atingir um estado conhecido como equilíbrio térmico.

"Isso nos diz que, quando misturado, dois gases em temperaturas diferentes atingirão um novo estado de equilíbrio na temperatura média dos dois. É a lei final no sentido de que todo sistema dinâmico está sujeito a ela. Não há como escapar:todas as coisas alcançarão o equilíbrio, até você."

Contudo, os pais fundadores da mecânica estatística estavam tentando encontrar buracos na segunda lei desde o início da teoria cinética. Considere novamente o exemplo de um gás em equilíbrio:Maxwell imaginou um ser hipotético com "dedos bem definidos" com a capacidade de rastrear e classificar as partículas de um gás com base em sua velocidade.

Demônio de Maxwell, como o ser se tornou conhecido, poderia abrir e fechar rapidamente um alçapão em uma caixa contendo gás, e deixe as partículas quentes passarem para um lado da caixa, mas restrinja as frias para o outro. Esse cenário parece contradizer a segunda lei da termodinâmica, pois a entropia geral parece diminuir e talvez o paradoxo mais famoso da física tenha nascido.

Mas e quanto à descoberta de Landauer sobre o custo dissipado de calor para apagar informações? Nós vamos, demorou mais 20 anos até que fosse totalmente apreciado, o paradoxo resolvido, e o demônio de Maxwell finalmente exorcizado.

O trabalho de Landauer inspirou Charlie Bennett - também na IBM - a investigar a ideia da computação reversível. Em um 1982 Bennett argumentou que o demônio deve ter uma memória, e que não é a medição, mas o apagamento da informação na memória do demônio que é o ato que restaura a segunda lei do paradoxo. E, como resultado, nasceu a termodinâmica computacional.

Novas descobertas

Agora, 40 anos depois, é aqui que o novo trabalho liderado pelo grupo do professor Goold vem à tona, com o foco em termodinâmica de computação quântica.

Em um artigo recente, publicado com o colaborador Harry Miller na University of Manchester e dois pós-doutorandos no QuSys Group at Trinity, Mark Mitchison e Giacomo Guarnieri, a equipe estudou com muito cuidado um processo de eliminação experimentalmente realista que permite a superposição quântica (o qubit pode estar no estado zero e um ao mesmo tempo).

O professor Goold explica:"Na realidade, os computadores funcionam bem longe dos limites de Landauer para dissipação de calor porque não são sistemas perfeitos. Contudo, ainda é importante pensar sobre o limite, porque conforme a miniaturização dos componentes de computação continua, esse limite fica cada vez mais próximo, e está se tornando mais relevante para máquinas de computação quântica. O que é incrível é que com a tecnologia hoje em dia você pode realmente estudar a eliminação se aproximando desse limite.

"Nós perguntamos, 'Que diferença esse recurso distintamente quântico faz para o protocolo de eliminação?' E a resposta foi algo que não esperávamos. Descobrimos que mesmo em um protocolo de eliminação ideal - devido à superposição quântica - você obtém eventos muito raros que dissipam o calor muito mais do que o limite de Landauer.

"No papel, provamos matematicamente que esses eventos existem e são uma característica quântica única. Esta é uma descoberta altamente incomum que pode ser muito importante para o gerenciamento de calor em futuros chips quânticos - embora haja muito mais trabalho a ser feito, em particular na análise de operações mais rápidas e a termodinâmica de outras implementações de portas.

"Mesmo em 2020, O demônio de Maxwell continua a colocar questões fundamentais sobre as leis da natureza. "