Demuestran experimentalmente el límite de Landauer

Maxwell planteó un experimento mental que de realizarse violaba el segundo principio de la termodinámica, al menos a primera vista. Según este principio los sistemas termodinámicos cerrados ganan entropía con el paso del tiempo, el calor pasa de los cuerpos calientes a los fríos espontáneamente y no al revés o, en lenguaje llano, los frigoríficos dejan de funcionar cuando se les desenchufa.
Si tenemos dos recipientes con gas conectados por un tubo con espina y uno se encuentra a mayor temperatura que el otro, el segundo principio de la termodinámica dice que si los conectamos (abrimos la espita) al cabo de un tiempo el sistema termalizarán y ambos recipientes contendrán gas a la misma temperatura. Llegado a ese punto el sistema permanecerá en ese estado para siempre, a no ser que haya alguna influencia externa.
Pero la temperatura de un gas no es más que el movimiento de las partículas (moléculas) que lo componen, a mayor temperatura mayor velocidad media tienen esas partículas, aunque haya unas que se muevan más rápido que otras.
En el experimento mental de Maxwell tenemos esos dos recipientes con gas a la misma temperatura y una espita microscópica intervenida por un diablillo que es capaz de controlar el paso de una sola de esas moléculas. El diablillo observa el sistema y prioriza el paso de moléculas con alta velocidad de un lado a otro (pongamos que de izquierda a derecha) y el paso de moléculas lentas en sentido contrario. Al cabo de un tiempo se tendrá que el recipiente de la derecha ha ganado temperatura respecto al de la izquierda, violándose, al menos aparentemente, el segundo principio de la Termodinámica. Esto permitiría cosas como obtener energía gratis de la nada.
No fue hasta que se vio el papel de la Teoría de la Información en el proceso cuando se pudo resolver esta aparente paradoja. En realidad no se viola el segundo principio de la termodinámica porque se necesita la medida de la velocidad de las moléculas y memorizar ese dato antes de tomar la decisión. Es la información en sí misma la que parece ser el medio a través de la cual se transfiere la energía. En 1961 Rolf Landauer propuso que la clave está en la memoria del diablillo, que no puede ser infinita. El borrado de la información de su memoria disiparía el calor necesario para reestablecer el segundo principio. Habría una mínima cantidad de calor, que sería proporcional a la energía térmica y que se denomina límite de Landauer, que necesariamente habría de disiparse cuando un bit de información se borra. La consecuencia lógica de esto es que, debido a esta transformación irreversible, la entropía crece un poco. No todo el mundo estuvo de acuerdo en su día con esta explicación.
No deja de tener cierto valor filosófico esto de que el olvidar algo haga crecer la entropía del Universo, pero además tiene una importancia fundamental en ciencias de la computación. Sin embargo, hasta ahora no se había comprobado experimentalmente, debido a la intrínseca dificultad de realizar experimentos en los que se manipule partículas una a una en un régimen de baja disipación.
Ahora un grupo de físicos dirigidos por Eric Lutz (Universidad de Augsburgo, Alemania) ha conseguido demostrar experimentalmente la existencia del límite de Landauer en un modelo genérico de 1 bit de memoria. Para ello han usado una única partícula coloidal de vidrio atrapada en un pozo de potencial doble creado por un haz láser. Es decir, el haz láser crea dos posiciones estables para la bolita, que se corresponden al 0 y al 1 de un bit de información. Estos investigadores han mostrado que si la bolita está en el estado 1 y se desea borrar esa información para recuperar el estado 0 entonces se genera una cantidad de calor que está siempre por encima del límite de Landauer.
El experimento demuestra la relación íntima que hay entre la teoría de la información y la termodinámica, además de iluminar los límites físicos últimos de la computación, incluso en la industria de fabricación microchips.
Uno de los grandes problemas que tienen los microchips es que disipan mucho calor. Cuantos más componentes metemos en ellos más calor se genera. Esto se debe principalmente a que los componentes muestran una resistencia al paso de la corriente que hace que se disipe calor (y se pierda energía). Sin embargo, todavía se está 1000 veces por encima del límite de Landauer. En 20 o 30 años la tecnología basada en silicio podría estar muy cerca de ese límite. Esa hipotética tecnología sería tan perfecta que el procesado y movimiento de información casi no consumiría energía ni disiparía calor. Esto sólo se produciría cuando se borrase información según el límite de Landauer.
Hipotéticamente un diablillo de Maxwell de memoria infinita no necesitaría consumir energía ni disipar calor para poder procesar información y podría violar el segundo principio de la Termodinámica. Pero no tendría la posibilidad de olvidar.

Fuente

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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