Información y energía

03/06/2018 2 comentarios
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Escribir o borrar información cuesta energía: así dice el principio de Landauer. Ahora se ha corroborado en un sistema cuántico.

En 1961, Rolf Landauer (que trabajaba en IBM) razonó que cualquier operación irreversible (como escribir o borrar un bit) tiene un coste mínimo de energía. No se refiere a la energía que gasta el mecanismo para escribir la información, sea la mano, el cabezal del disco duro, o cualquier otro dispositivo; es una energía asociada a la información misma. La escritura o borrado de la información, aunque el dispositivo no gastara nada de energía (cosa imposible) disiparía un poco de calor.

Por supuesto, estamos hablando de cantidades ínfimas. Por poner números: en el mundo se han publicado en total unos 130 millones de libros; la Biblia, bastante voluminosa en comparación con la media, contiene cerca de un millón de palabras, o más de tres millones de letras, que -sin comprimir- podrían almacenarse en unos 15 millones de bits. Todos los libros del mundo, sin comprimir, seguro que caben en unos 200 terabytes. Pues la energía mínima necesaria para escribir eso a temperatura ambiente, según el principio de Landauer, no serviría ni para elevar la temperatura de un gramo de agua en una millonésima de grado centígrado. Por supuesto, un disco duro gasta una cantidad de energía muchísimo mayor. La noción, sin embargo, es que almacenar información consume energía. Se podría concluir que la información entra en el dominio de lo material por pleno derecho. El concepto es profundo y sugerente.

Hace unos años escribí una entrada en la que daba cuenta de un trabajo de investigación, llevado a cabo por Sergio Ciliberto y colaboradores, en el que medían con un ingenioso experimento el límite mínimo de energía necesario para escribir un bit. Obtuvieron un resultado compatible con el principio de Landauer. Quizás el hecho de que Sergio sea amigo mío me llevó a cierta euforia y eso me acarreó un coscorrón (metafórico) de algún colega: el principio de Landauer no tiene el rango de ley física; eso quiere decir que se discute su fundamentación rigurosa, y que pudiera ser que su alcance no sea universal.

Más tarde, John Bechhoefer, de la Universidad Simon Fraser, en Canadá, lo midió con mayor precisión todavía.

Pues bien, un artículo publicado en esta semana en Physical Review Letters ("Single-Atom Demonstration of the Quantum Landauer Principle") firmado por Mang Feng y un equipo de investigadores de la Academia China de Ciencias, informa que en un sistema cuántico también es válido el principio de Landauer, al menos según sus mediciones. En su experimento, tanto el bit como el depósito de energía tenían la energía cuantizada; de hecho los autores realizaron el experimento con un qubit, lo que se supone que utilizarán los ordenadores cuánticos.

esquema experimento

El esquema del experimento, tal como publicaron los autores; utilizan un ion de calcio en una trampa óptica: su estado es un qubit que "borran" y "escriben" con un pulso láser.

Algunos autores han propuesto que el principio de Landauer podría ser una consecuencia directa del segundo principio de la termodinámica. Esta idea es más difícil de probar en algunos sistemas cuánticos (aunque sí que parece válida en el qubit que usaron Feng y sus colaboradores). Y aunque no parezca tener efectos prácticos en la escritura de discos duros, el coste energético podría ser relevante en sistemas microscópicos, como el procesado de información química en las células.