Controlando la temperatura del PC con física cuántica

El equipo, compuesto por científicos de Reino Unido, Suiza y Singapur, se basó en el hecho contrastado de que la energía consumida por ordenadores «activos» acabará convertida en calor. Su estudio, publicado en la revista Nature y financiado en parte por el Consejo Europeo de Investigación, revela que en determinadas condiciones el borrado de datos puede crear un efecto de enfriamiento.

Estos descubrimientos quizás sirvan para enfriar de forma manual «superordenadores», cuyo rendimiento se ve limitado con frecuencia por el sobrecalentamiento que sufren. Este tipo de máquinas se emplean en tareas que precisan una capacidad de procesamiento enorme como las de meteorología o las de modelización molecular.

Los autores explican que este efecto de enfriamiento es el resultado del entrelazamiento cuántico. «Lograr el control al nivel cuántico necesario para aprovechar este fenómeno en superordenadores supone un reto tecnológico colosal, pero puede que no insalvable. En los últimos veinte años se han producido avances enormes en las tecnologías cuánticas», explicó Vlatko Vedral, uno de los autores del estudio. «Con la tecnología actual disponible en los laboratorios de física cuántica sería posible realizar un experimento de prueba de concepto con unos pocos bits de datos.»

El físico Rolf Landauer averiguó en 1961 que cuando se eliminan datos es inevitable que se libere energía en forma de calor. Este principio implica que una vez se ha superado cierta cantidad de operaciones aritméticas por segundo el ordenador producirá tanto calor que será imposible de disipar. Aunque en los superordenadores actuales existen otras fuentes de calor más importantes, el equipo opina que el límite crítico para el que el calor de borrado propuesto por Landauer comienza a ser importante puede alcanzarse en diez o veinte años.

La emisión de calor que provoca el borrado de un disco duro de diez terabytes supone algo más de una millonésima de julio. No obstante, si este proceso de borrado se repite muchas veces por segundo, el calor generado se acumula al mismo ritmo.

Este nuevo estudio centra de nuevo la atención en el principio de Landauer para situaciones en las que pueden conocerse los valores de los bits a borrar. Cuando el contenido de la memoria es conocido, debería ser posible borrar los bits de tal manera que, teóricamente, fuese posible recrearlos.

Estudios anteriores han mostrado que un borrado reversible de estas características no generaría calor. Este nuevo estudio va más allá y muestra que cuando los bits a borrar presentan entrelazamiento mecánico cuántico con el estado de un observador, entonces el observador podría incluso extraer calor del sistema al borrar los bits. El entrelazamiento relaciona el estado del observador al del ordenador de forma que dicho observador conoce más aspectos de la memoria que lo que permitiría la física clásica.

En su estudio el equipo aplicó ideas de la teoría de la información y la termodinámica a un concepto denominado entropía. En la teoría de la información la entropía es una medida de la densidad de la información que indica qué capacidad de memoria ocuparía un conjunto de datos determinado al comprimirse de forma óptima. En cambio, en termodinámica la entropía se relaciona con el desorden de los sistemas, por ejemplo en la disposición de las moléculas de un gas. Para la termodinámica, cuando se añade entropía a un sistema normalmente se hace referencia a añadir energía en forma de calor.

«Hemos mostrado que en ambos casos el término entropía describe el mismo fenómeno incluso en un régimen de mecánica cuántica. Nuestro estudio muestra que en ambos casos la entropía se considera una especie de falta de conocimiento», indicó Renato Renner, perteneciente al equipo de investigación.

En la práctica, estos descubrimientos significan que si dos individuos borran datos en una memoria y uno posee mayor conocimiento sobre estos datos, se considera que la memoria posee menor entropía y puede borrarse utilizando menos energía.

Además de su utilidad para conocer cómo producen calor los ordenadores, este estudio podría tener implicaciones positivas para el desarrollo de innovaciones en termodinámica.

Para más información, consulte:

ETH Zúrich:
http://www.ethz.ch/index_EN