Revelado el inevitable coste de la computación

Artículo publicado por Phillip Ball el 7 de marzo de 2012 en Nature News

Los físicos han demostrado que olvidar es el deshacer del demonio de Maxwell.

Olvidar siempre requiere un poco de energía. Eric Lutz de la Universidad de Augsburg, en Alemania y sus colegas han encontrado una demostración experimental de cuánto exactamente. Presentaron sus resultados en la revista Nature1.

En 1961, el físico Rolf Landauer defendía que para poner resetear un bit de información  – por ejemplo, fijar un dígito binario a cero en un computador sin importar si inicialmente estaba a 1 ó 0  — debemos liberar una mínima cantidad de calor, proporcional a la temperatura ambiente.

Viejos ordenadores © by eurleif


“Eliminar información comprime dos estado en uno”, explica Lutz, que está ahora en la Universidad Libre de Berlín. “Es esta compresión lo que lleva a la disipación de calor”.

Su trabajo parece ahora confirmar que la teoría de Landauer era correcta. “El principio de Landauer ha sido estudiado por teóricos desde hace medio siglo, pero hasta donde sé, este artículo describe la primera ilustración experimental del mismo”, dice Christopher Jarzynski, físico químico de la Universidad de Maryland en College Park.

Para poner a prueba el principio, los investigadores crearon un simple bit con dos estados: un trozo microscópico de sílice mantenido en una “trampa de luz” mediante un rayo láser. La trampa contiene dos “valles” donde pueden descansar las partículas, uno representando un 1 y el otro un 0. Se podía pasar de uno a otro si la “colina” de energía que los separa no es demasiado alto.

Los investigadores podían controlar esta altura cambiando la potencia del láser, y podían ‘inclinar’ los dos valles para lanzar el sílice hacia uno de ellos moviendo ligeramente la célula física que lo contiene fuera del foco del láser.

Monitorizando la posición y velocidad de la partícula durante un ciclo de encendido y reseteo del bit, podían calcular cuánta energía se disipaba. El límite de Landauer se aplica sólo cuando el reseteo se hace de manera infinitamente lenta, y Lutz y sus colegas encontraron que, cuanto más largos eran los ciclos de encendido, la disipación era menor, llevando a una meseta igual a la cantidad predicha por Landauer.

Los resultados salvaguardan uno de los principios más apreciados de la ciencia física: la segunda ley de la termodinámica. Esta ley afirma que el calor siempre se moverá de las zonas calientes a las frías, o equivalentemente, que la entropía – la cantidad de desorden en el universo – siempre aumenta.

En el siglo XIX, el científico escocés James Clerk Maxwell propuso un escenario que parecía violar esta ley. En un gas, las moléculas calientes se movían más rápido que las frías. Maxwell imaginó un ser microscópico inteligente, que más tarde apodó ‘demonio’, el cual abriría y cerraría una trampilla entre los dos compartimentos para atrapar de forma selectiva las moléculas calientes en uno de los lados, y las frías en otro, desafiando la tendencia del calor a extenderse y aumentar la entropía.

La teoría de Landauer ofrece la primera razón convincente a por qué el demonio de Maxwell no podría hacer esta tarea. El demonio tendría que eliminar (‘olvidar’) la información usada para seleccionar las moléculas tras cada operación, y esto liberaría calor y aumentaría la entropía más que contrarrestar la entropía perdida por el demonio.

En 2010, unos físicos en Japón demostraron que la información podría podía convertirse en energía de manera selectiva aprovechando las fluctuaciones de radiación térmica, de la misma forma que el demonio de Maxwell usa su ‘conocimiento’ molecular para acumular una reserva de calor2. Pero Jarzynski apunta que el trabajo también demostró que la selectividad requería que se almacenase también la información sobre las fluctuaciones.

Dice que el experimento de Lutz completa el argumento contra el uso del demonio de Maxwell para violar la segunda ley de la termodinámica, debido a que demuestra que “el borrado final de esta información almacenada conlleva una penalización termodinámica”.

De manera más práctica, el principio de Landauer implica un límite a lo bajo que puede ser el límite de disipación de energía – y por tanto de consumo -  de un computador. “La disipación de calor en los chips de ordenador es uno de los grandes problemas que dificultan la miniaturización”, apunta Lutz.

Este consumo de energía se hace cada vez menor, y Lutz dice que se aproximará el límite de Landauer en el siguiente par de décadas. “Nuestro experimento demuestra claramente que no puedes ir más allá del límite de Landauer”, comenta Lutz. “Los ingenieros pronto tendrán que enfrentarse a ésto”.

Mientras tanto, en lo que se refiere a computadores cuánticos, que aprovechan las reglas de la física cuántica para lograr una potencia de procesado aún mayor, ya se están enfrentando a esta limitación. “El procesado lógico en los computadores cuánticos ya está bien metido en el régimen de Landauer”, dice el físico Seth Lloyd del Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge. “Nos tenemos que preocupar en todo momento del principio de Landauer”.


Artículos re Referencia:

Nature doi:10.1038/nature.2012.10186 

  1. Bérut, A. et al. Nature 483, 187–189 (2012).
  2. Toyabe, S., Sagawa, T., Ueda, M., Muneyuki, E. & Sano, M. Nature Phys. 6, 988–992 (2010).

Autor: Phillip Ball
Fecha Original: 7 de marzo de 2012
Enlace Original

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