I ricercatori del Trinity hanno scoperto un effetto quantistico unico nella cancellazione delle informazioni che potrebbe avere implicazioni significative per la progettazione di chip di calcolo quantistico. La loro sorprendente scoperta riporta in vita il paradossale "demone di Maxwell, " che tormenta i fisici da oltre 150 anni.

La termodinamica del calcolo è stata portata alla ribalta nel 1961 quando Rolf Landauer, poi all'IBM, scoperto una relazione tra la dissipazione del calore e operazioni logicamente irreversibili. Landauer è noto per il mantra "L'informazione è fisica, " che ci ricorda che l'informazione non è astratta ed è codificata su hardware fisico.

Il "bit" è la valuta dell'informazione (può essere zero o uno) e Landauer scoprì che quando si cancella un bit c'è una quantità minima di calore rilasciato. Questo è noto come limite di Landauer ed è il collegamento definitivo tra la teoria dell'informazione e la termodinamica.

Il gruppo QuSys del professor John Goold al Trinity sta analizzando questo argomento pensando al calcolo quantistico, dove un bit quantistico (un qubit, che può essere contemporaneamente zero e uno) viene cancellato.

In un lavoro appena pubblicato sulla rivista, Lettere di revisione fisica , il gruppo ha scoperto che la natura quantistica delle informazioni da cancellare può portare a grandi deviazioni nella dissipazione del calore, che non è presente nella cancellazione bit convenzionale.

Termodinamica e demone di Maxwell

Cento anni prima della scoperta di Landauer persone come lo scienziato viennese, Ludwig Boltzmann, e fisico scozzese, James Clerk Maxwell, stavano formulando la teoria cinetica dei gas, riprendendo una vecchia idea degli antichi greci pensando alla materia essendo fatta di atomi e derivando la termodinamica macroscopica dalla dinamica microscopica.

Il professor Goold dice:"La meccanica statistica ci dice che cose come la pressione e la temperatura, e anche le stesse leggi della termodinamica, può essere compreso dal comportamento medio dei costituenti atomici della materia. La seconda legge della termodinamica riguarda qualcosa chiamato entropia che, in poche parole, è una misura del disturbo in un processo. La seconda legge ci dice che in assenza di intervento esterno, tutti i processi nell'universo tendono, in media, aumentare la loro entropia e raggiungere uno stato noto come equilibrio termico.

"Ci dice che, quando mescolato, due gas a temperature diverse raggiungeranno un nuovo stato di equilibrio alla temperatura media dei due. È la legge ultima nel senso che ad essa è soggetto ogni sistema dinamico. Non c'è scampo:tutte le cose raggiungeranno l'equilibrio, anche tu."

Però, i padri fondatori della meccanica statistica stavano cercando di trovare buchi nella seconda legge fin dall'inizio della teoria cinetica. Consideriamo ancora l'esempio di un gas in equilibrio:Maxwell immaginò un ipotetico essere "dalle dita pulite" con la capacità di tracciare e ordinare le particelle in un gas in base alla loro velocità.

il demone di Maxwell, come l'essere divenne noto, potrebbe aprire e chiudere rapidamente una botola in una scatola contenente un gas, e lasciare che le particelle calde attraversino un lato della scatola, limitando quelle fredde all'altro. Questo scenario sembra contraddire la seconda legge della termodinamica poiché l'entropia complessiva sembra diminuire e forse è nato il paradosso più famoso della fisica.

Ma che dire della scoperta di Landauer sul costo dissipato dal calore della cancellazione delle informazioni? Bene, ci sono voluti altri 20 anni prima che fosse pienamente apprezzato, il paradosso risolto, e il demone di Maxwell finalmente esorcizzato.

Il lavoro di Landauer ha ispirato Charlie Bennett, anche in IBM, a indagare sull'idea di elaborazione reversibile. In una del 1982 Bennett sostenne che il demone doveva avere una memoria, e che non è la misurazione ma la cancellazione dell'informazione nella memoria del demone che è l'atto che ripristina la seconda legge nel paradosso. E, di conseguenza, nasce la termodinamica computazionale.

Nuove scoperte

Ora, 40 anni dopo, è qui che viene alla ribalta il nuovo lavoro guidato dal gruppo del professor Goold, con i riflettori sulla termodinamica computazionale quantistica.

Nel recente documento, pubblicato con il collaboratore Harry Miller presso l'Università di Manchester e due borsisti post-dottorato nel QuSys Group del Trinity, Mark Mitchison e Giacomo Guarnieri, il team ha studiato molto attentamente un processo di cancellazione sperimentalmente realistico che consente la sovrapposizione quantistica (il qubit può essere allo stato zero e uno allo stesso tempo).

Il professor Goold spiega:"In realtà, i computer funzionano ben lontano dal limite di Landauer per la dissipazione del calore perché non sono sistemi perfetti. Però, è ancora importante pensare al limite perché mentre continua la miniaturizzazione dei componenti di calcolo, quel legame si fa sempre più vicino, e sta diventando sempre più rilevante per le macchine di calcolo quantistico. La cosa sorprendente è che con la tecnologia di questi tempi puoi davvero studiare la cancellazione avvicinandoti a quel limite.

"Noi abbiamo chiesto, "Che differenza fa questa caratteristica distintamente quantistica per il protocollo di cancellazione?" E la risposta è stata qualcosa che non ci aspettavamo. Abbiamo scoperto che anche in un protocollo di cancellazione ideale, a causa della sovrapposizione quantistica, si verificano eventi molto rari che dissipano calore molto più grande del limite di Landauer.

"Nel giornale, dimostriamo matematicamente che questi eventi esistono e sono una caratteristica unicamente quantistica. Questa è una scoperta molto insolita che potrebbe essere davvero importante per la gestione del calore sui futuri chip quantistici, anche se c'è molto altro lavoro da fare, in particolare nell'analizzare operazioni più veloci e la termodinamica di altre implementazioni di gate.

"Anche nel 2020, Il demone di Maxwell continua a porre domande fondamentali sulle leggi della natura".