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Sobre la termodinámica del computador cuántico

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Sobre la termodinámica del computador cuántico

Área: Física — Lunes, 20 de Junio de 2011
Un computador cuántico, al contrario que los clásicos, podría borrar información sin que se emita calor, incluso podría tomar calor del entorno para poder hacerlo.
Foto
Un observador, representado por una máquina con memoria cuántica Q, borra un sistema S. Todo el contenido de la memoria acerca del sistema tiene que conservarse. Fuente: Nature.
Incluso la computación tiene sus límites y requiere el consumo de una mínima cantidad de energía. En los computadores* actuales ese consumo es bastante elevado y sólo hace falta ver cómo se descarga la batería del portátil o sentir como éste se calienta en verano sobre nuestras piernas. Sin embargo, es posible imaginar un computador ideal y calcular cómo se comportaría. Hace ya muchos años que se hicieron esos cálculos y se llegó a la conclusión de que lo que gasta energía es el borrado de memoria. Es decir, las operaciones en sí no tienen por qué gastar energía (y disiparla) si no destruyen información, sino que este consumo se puede hacer tan pequeño como se quiera.
Si sumamos 4 y 2 podemos obtener 6, pero si queremos que esa operación no consuma energía debemos de mantener los números de partida, porque una vez borrada esa información no sabemos si ese 6 proviene de 4+2, 1+5 o 3+3. En teoría un computador clásico con memoria infinita que no destruya información no consumiría energía y no la disiparía (no se calentaría).
Pero los computadores modernos, aunque fueran ideales, no tienen memoria infinita y se tiene que gastar energía en el borrado de información (por no hablar de la construcción del propio computador). Esta operación disipa calor y causa problemas a los ingenieros que diseñan los microprocesadores, ya que un exceso de calor puede dañar los circuitos.
Pero todo esto es desde el punto de vista clásico. ¿Qué pasa si tenemos un computador cuántico?
El físico Rolf Landauer estableció en 1961 que el borrado de información en un sistema clásico hace decrecer la entropía. Un computador clásico genera calor cuando borra información debido a la entropía, que es un concepto central (y real) de la Termodinámica que mide el grado de desorden. En un sistema computacional se usan bits que pueden cero o uno. La entropía del sistema se puede medir por el número de posibles estados que se pueden alcanzar. El borrado de información significa por ejemplo tener que poner todos los bits a cero, que es el estado de mínima entropía (máximo orden). Conseguir ese estado de entropía cero siempre significa tener que reducir la entropía local que había previamente en el sistema. Como la entropía total tiene que crecer en el conjunto, esa disminución de entropía local debe hacerse a costa de que crezca la entropía del entorno y esto se manifiesta como una producción de calor. Esto impone un límite fundamental y no técnico a cuánto podemos reducir el calor generado en la computación.
Si hay dos personas tratando de borrar bits de información en la memoria de un computador clásico una tiene que forzar todos los bits a cero para asegurarse el borrado si no tiene conocimiento sobre el sistema, pero una segunda puede borrar sólo los bits que son 1 si conoce el contenido de esas cadenas de bits. En esta situación la primera tiene que realizar en promedio más trabajo en el borrado que la segunda. La “entropía condicional” es menor para la segunda persona que para la primera. Este concepto de “entropía condicional” no es el mismo que la entropía tradicional y fue desarrollado para campos como la criptografía y la transmisión de información. Veamos cómo se ha aplicado a la computación cuántica.
En los computadores cuánticos no se tienen bits, sino qubits. Se pueden tener estados entrelazados de distintos valores sobre una misma entidad física. No se puede saber nada con certeza acerca de cada qubits individual entrelazado, pero toda la información acerca del estado global entrelazado se conoce con certeza.
Si el computador es cuántico hay entrelazamiento. En este tipo de computación si un qubit está en un estado entrelazado con un qubit de datos que debe ser borrado, entonces observar o determinar el estado de una parte inmediatamente fija el estado de la otra. Así que un observador con acceso a objetos entrelazados podría saber incluso más acerca de la memoria cuántica que de cualquier otro modo y esto hace que la entropía condicional sea negativa si se borra memoria.
Cuando hay entrelazamiento el computador sabe toda la información, no sólo la relativa a los datos, sino la relativa a sí mismo. Si el entrelazamiento se rompe, la memoria del computador pierde esa “visión global” y se puede ahora borrar los datos colocando el sistema en el estado de entropía cero. Esto significa que en un computador cuántico el borrado de datos tiene que absorber calor del entorno, aunque este calor será menos que el calor generado para crear los datos al inicio. Esto, por tanto, no viola ningún principio de la Termodinámica.
Al menos es lo que sostiene Renato Renner, del ETH Zurich (Suiza), y sus colaboradores. El resultado no solamente es importante desde un punto de vista teórico, al tratar de explorar las implicaciones termodinámicas de una entropía condicional negativa, sino que puede ayudar a la construcción de un futuro computador cuántico real (los de D-Wave no lo son).
Para poder mantener la coherencia cuántica se debe evitar cualquier influencia sobre los frágiles estados cuánticos, incluido el calor, y por esta razón se opera cerca del cero absoluto de temperatura. Se necesita que el propio funcionamiento del sistema no introduzca más calor en el sistema y este resultado nos dice que el borrado de información ayudaría, por tanto, a mantener la temperatura baja y a que la computación sea eficiente.
Sin embargo, Charles H Bennett, del IBM Research en Nueva York, se muestra escéptico. “La idea de la entropía condicional fue desarrollada en campos como la criptografía y la transmisión de información, mientras que este trabajo está tratando de aplicarla a la termodinámica del costo de la computación. No está claro cómo puede ayudar en ese campo, pero es un buen esfuerzo científico tratar de aplicarla ahí.”
* Aunque a veces se denomina “ordenadores” a esos dispositivos, el nombre más adecuado es computador. La palabra ordenador es un galicismo producto de una confusión. Un computador computa, no solamente ordena.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3532

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Thalia