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La fisica del dimenticare

Il principio di Landauer afferma che la cancellazione di informazioni impiega sempre un po’ di energia. I fisici finanziati dall’UE hanno scoperto come ridurre al minimo questo costo inevitabile della computazione quantistica.
La fisica del dimenticare
Nel 1961, il fisico Rolf Landauer sosteneva che il reset di un bit di informazioni in una memoria relativa a computer (per esempio, per impostare una cifra binaria a zero) è inevitabilmente accompagnato dalla generazione di calore. Questo principio fornisce un ponte tra teoria dell’informazione e fisica.

Il principio di Landauer fa luce su diverse questioni che sorgono nel trattamento delle informazioni. Esso implica un limite in quanto al livello minimo di dissipazione di energia e, quindi, al consumo di energia di un computer. Tale limite inferiore è stato al centro dello studio QUANTUMLANDAUER (Beating Landauer’s limit in the quantum regime).

Durante la vita del progetto, i fisici hanno analizzato i possibili discostamenti dal quadro di Landauer, il che avrebbe permesso una maggiore efficienza energetica in relazione alla cancellazione delle informazioni. È stato affrontato il problema dell’inevitabile dissipazione di calore dal punto di vista probabilistico.

Nell’ambito del quadro di Landauer, la cancellazione di informazioni si basa sull’interazione tra un oggetto e un serbatoio termico. Ciò comporta sempre una minima quantità di calore dissipato, proporzionale alla riduzione dell’entropia sostenuta dall’oggetto. Tuttavia, questo limite inferiore viene raggiunto solo in certe situazioni. Inoltre, ciò non è realizzabile per ogni serbatoio termico. Al fine di determinare la dissipazione di calore minima ottenibile, i fisici hanno esplicitamente ottimizzato tutti i possibili operatori attivi sul sistema composito oggetto-serbatoio.

Inoltre, il team del progetto QUANTUMLANDAUER ha scoperto un metodo per ridurre la quantità di energia trasferita come calore a un serbatoio termico. Ciò è applicabile al caso in cui la probabilità di preparare un oggetto in uno stato puro sia inferiore alla probabilità massima di cancellazione delle informazioni.

Utilizzando strumenti dalla teoria di maggiorizzazione, i fisici hanno caratterizzato la classe di equivalenza degli operatori che portano la probabilità di cancellazione delle informazioni al valore desiderato. Inoltre, è stato dimostrato il trade-off tra la massima probabilità di cancellazione delle informazioni e la dissipazione del calore.

La dissipazione del calore nei chip dei computer sta ostacolando la loro miniaturizzazione. Nel computer quantistici, i quali sfruttano le leggi della fisica quantistica per ottenere una maggiore potenza di elaborazione, il limite di Landauer è già stato affrontato. I risultati del progetto QUANTUMLANDAUER, pubblicati nella rivista New Journal of Physics sono stati quindi opportuni, in termini di tempistica.

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Keywords

Principio di Landauer, computazione quantistica, elaborazione delle informazioni, QUANTUMLANDAUER, cancellazione delle informazioni