Informația este fizică, chiar și în sistemele cuantice, sugerează studiul

Informațiile pot părea eterice, având în vedere cât de ușor uităm numerele de telefon și zilele de naștere. Dar oamenii de știință spun că este fizic și, dacă un nou studiu este corect, asta este valabil și pentru sistemele cuantice.

Deși paginile de text sau șirurile de biți par să se șteargă ușor prin apăsarea unui buton, actul de a distruge informații are un impact fizic tangibil, conform unui principiu propus în 1961 de fizicianul Rolf Landauer. Ștergerea informațiilor este asociată cu o creștere a entropiei sau a dezordinei, ceea ce duce la eliberarea unei anumite cantități de căldură pentru fiecare bit șters. Chiar și cel mai eficient computer ar scoate în continuare căldură atunci când șterge ireversibil datele.

Acest principiu a fost verificat experimental pentru sistemele care urmează legile familiare ale fizicii clasice. Dar imaginea a rămas neclară pentru sistemele mecanice cuantice, în care particulele pot fi în mai multe stări simultan, iar destinele lor pot fi legate prin procesul înfricoșător al încurcăturii cuantice.

Acum, o echipă de oameni de știință raportează data de 13 aprilie Proceedings of the Royal Society A că principiul lui Landauer este valabil chiar și în acel peisaj cuantic sălbatic. „În esență, ceea ce au făcut a fost testarea [this principle] într-un mod foarte detaliat și cantitativ”, spune fizicianul John Bechhoefer de la Universitatea Simon Fraser din Burnaby, Canada, care nu a fost implicat în cercetare. „Și ei arată că acest lucru funcționează într-un sistem cuantic, ceea ce este un pas cu adevărat important.” Testarea principiului lui Landauer în domeniul cuantic ar putea fi importantă pentru înțelegerea limitelor fundamentale ale computerelor cuantice, spune Bechhoefer.

Pentru a verifica principiul lui Landauer, cercetătorii au folosit un sistem de trei qubiți – versiunea cuantică a biților găsiți într-un computer tipic – fabricat din trifluoroiodoetilenă, o moleculă care are trei atomi de fluor. Nucleele acestor trei atomi de fluor au o proprietate cuantică cunoscută sub numele de spin. Acea „învârtire” poate fi în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, servind același scop ca 0 sau 1 pentru un bit standard.

Primul qubit, pe care cercetătorii l-au numit „sistem”, conține informațiile care trebuie șterse. Conform principiului lui Landauer, atunci când informația este ștearsă, se va genera căldură și energia va curge către al doilea qubit, cunoscut sub numele de „rezervor”. Așa cum oamenii de știință în domeniul informaticii pot efectua operații asupra biților dintr-un computer obișnuit (adăugarea sau scăderea numerelor, de exemplu), cercetătorii pot aplica operații la qubiții de fluor folosind impulsuri de unde radio pentru a ajusta spin-urile nucleare.

Dar măsurarea sistemelor cuantice este dificilă, spune fizicianul Lucas Céleri de la Universitatea Federală din Goiás din Brazilia, un lider al echipei de cercetare. „Într-o lume cuantică, de fiecare dată când măsori sistemul, interacționezi cu el”, schimbându-l astfel. Deci, cercetătorii au folosit o soluție. Al treilea qubit este cuplat la rezervor și poate fi folosit pentru a măsura căldura generată fără a distruge qubitii de interes.

Când cercetătorii au șters informațiile, au descoperit că căldura a fost generată așa cum era de așteptat de la principiul lui Landauer. Ei s-au uitat la media măsurătorilor multiple, deoarece fluctuațiile cuantice înseamnă că orice încercare unică nu se va conforma neapărat principiului. „Este o demonstrație foarte frumoasă a principiului lui Landauer într-un sistem cuantic, inteligent conceput și bine realizat”, spune fizicianul cuantic Seth Lloyd de la MIT, care nu a fost implicat în cercetare.

Dar unii cercetători sugerează că mai este de făcut. „Este un experiment executat cu atenție cu trei qubiți care interacționează”, au scris într-un e-mail fizicienii Jukka Pekola de la Universitatea Aalto din Finlanda și Jonne Koski de la ETH Zurich. Dar într-un test tradițional al principiului lui Landauer, rezervorul nu ar fi un singur qubit, ci o „baie de căldură” mare de multe particule. Prin urmare, cercetătorii au trebuit să ia în considerare entropia suplimentară introdusă ca urmare a rezervorului lor cu o singură particule. Următorul pas, spun Pekola și Koski, ar fi investigarea unui qubit care interacționează cu un rezervor format din mai multe particule pentru a efectua un test mai convențional al principiului lui Landauer la nivel cuantic.