Il costo inevitabile della cancellazione di un bit

[frankytop]

Un gruppo di ricerca è riuscito a dimostrare sperimentalmente per la prima volta l'esistenza del cosiddetto principio di Landauer, fondamentale per la teoria dell'informazione. Il legame fra la scienza del calore e la teoria dell'informazione è noto fin da quando Maxwell propose il famoso esperimento mentale in cui un "diavoletto" riusciva a beffare la seconda legge della termodinamica. In realtà, la legge si salva appunto in virtù del principio di Landauer, per il quale l'eliminazione di un bit di informazione produce una quantità di calore che non può essere diminuita oltre un limite prefissato.



L'idea di un collegamento tra informazione e termodinamica può essere fatta risalire al "diavoletto di Maxwell", protagonista di un esperimento mentale proposto nel 1871 da James Clerk Maxwell: attraverso la conversione in energia delle informazioni sulla posizione e la velocità di ogni particella, il demone sarebbe stato in grado di diminuire l'entropia del sistema senza eseguire egli stesso un lavoro, in apparente violazione della seconda legge della termodinamica.

Il demone è una creatura intelligente in grado di monitorare singole molecole di un gas contenuto in due camere adiacenti inizialmente alla stessa temperatura. Alcune delle molecole andranno più velocemente della media, altre più lentamente. Aprendo e chiudendo in modo opportuno una saracinesca delle dimensioni delle molecole presente nella parete divisoria, il demone potrebbe raccoglie le molecole più veloci (calde) in una delle camere e quelle più lente (fredde) nell'altra. La differenza di temperatura così creata potrebbe quindi essere utilizzata per alimentare un motore e produrre lavoro utile.



Un'elegante soluzione del paradosso della apparente violazione della seconda legge, sul quale si sono esercitati numerosi brillanti scienziati, arrivò nel 1961 quando il fisico Rolf Landauer face notare che, durante un ciclo termodinamico completo, la memoria del diavoletto, necessaria a registrare coordinate e velocità di ciascuna molecola e quindi agire di conseguenza, deve essere periodicamente resettata al suo stato iniziale eseguendo un'operazione di cancellazione (a meno di non presupporre un'improbabile memoria infinita).

Sviluppando con Charles Bennett un suggerimento di Leo Szilard, Rolf Landauer arrivò a formulare un principio che permetteva di salvare il secondo principio della termodinamica: quello di cancellare informazioni è un processo dissipativo, vale a dire che quando viene eliminato un bit (classico) di informazione, viene con ciò stesso necessariamente prodotta una certa quantità di calore, che non può essere ridotta al di sotto di una soglia, il cosiddetto limite di Landauer. Una diretta conseguenza di questa trasformazione irreversibile è che l'entropia dell'ambiente aumenta di una quantità finita.

Nonostante la sua importanza fondamentale per la teoria dell'informazione e la computer science, finora il principio di cancellazione non era stato però mai verificato sperimentalmente, considerata la difficoltà di condurre esperimenti su singole particelle in una situazione di bassa dissipazione.

Ora, come viene riferito in un articolo pubblicato su "Nature", un gruppo di ricercatori della Freie Universität di Berlino, dell'École Normale Supérieure di Lione e delle University of Kaiserslautern e di Augsnirg è riuscito nell'intento di dimostrare l'esistenza del limite di Landauer in un modello generico di memoria a un bit utilizzando un sistema formato da una singola particella colloidale intrappolata in una doppia buca di potenziale creata grazie a un fascio laser.

"I nostri risultati sperimentali - scrivono gli autori - indicano che il limite termodinamico per la cancellazione dell'informazione, il limite di Landauer, può essere avvicinato in un regime quasi-statico, ma non superato. Essi quindi dimostrano una delle limitazioni fisiche fondamentali del calcolo irreversibile. A causa dell'universalità della termodinamica, questo limite è indipendente dal dispositivo, circuito o materiale reale utilizzato per implementare l'operazione irreversibile."

Il costo inevitabile della cancellazione di un bit - Le Scienze

[xenom]

solo una parola: che figata.
Non conoscevo questo esperimento mentale che correla l'informazione alla termodinamica...
Il gatto di Schrodinger è passato in secondo piano, ora.

[berserkdan78]

e' bello, ma allo stesso tempo desolante, vedere che in questo mondo, alla fine, tutto si incastra alla perfezione (o quasi) e i nodi vengono al pettine.
Il fenomeno che condurrà lo stesso universo verso una fine irreversibile, l'entropia, e' parte fondamentale del tessuto dell'universo, e non può essere "manipolato" o in qualche modo "invertito".

[xenom]

Originariamente inviato da berserkdan78

e' bello, ma allo stesso tempo desolante, vedere che in questo mondo, alla fine, tutto si incastra alla perfezione (o quasi) e i nodi vengono al pettine.
Il fenomeno che condurrà lo stesso universo verso una fine irreversibile, l'entropia, e' parte fondamentale del tessuto dell'universo, e non può essere "manipolato" o in qualche modo "invertito".

è la bellezza della fisica. E' uno dei motivi per il quali la fisica mi affascina di più. E' incredibile come tutto torna. per esempio nell'ambito della termodinamica e più in generale nella conservazione dell'energia, per quanto tu possa cercare di violare tale teorema, in un modo o nell'altro verrà sempre rispettato...

bellissima anche la definizione stessa di entropia: per quanto tu cerca di ordinare un sistema, per il secondo principio della termodinamica ci sarà sempre una parte di energia, anche se minima, che verrà irrimediabilmente persa
Interessante un'analogia macroscopica che avevo letto proprio poco tempo fa: ogni qual volta una persona mette in ordine la propria stanza, anche se dopo averlo fatto sarà ordinata, il lavoro dei muscoli compiuto per ottenere l'ordine dissiperà parte del lavoro in calore

[Il_Grigio]

Originariamente inviato da berserkdan78

e' bello, ma allo stesso tempo desolante, vedere che in questo mondo, alla fine, tutto si incastra alla perfezione (o quasi) e i nodi vengono al pettine.

Originariamente inviato da xenom

è la bellezza della fisica. E' uno dei motivi per il quali la fisica mi affascina di più. E' incredibile come tutto torna.

Argomento interessante pure questo.
Anche se, secondo me...

[ "Newton" di William Blake ]


mi scuso per l'off topic

[xenom]

ma lol