La physique quantique à l'origine de la température de l'ordinateur
Avez-vous déjà pensé à la physique qui se cache derrière le bruissement familier d'un ordinateur portable lorsqu'il surchauffe alors qu'il est posé sur vos genoux? Ou à la chaleur considérable générée par un bureau rempli d'ordinateurs actif ou une salle de serveur? Désormais une équipe internationale de physiciens théoriciens a effectué l'extraordinaire découverte selon laquelle les ordinateurs peuvent certes produire de la chaleur, mais avoir également un effet refroidissant. Dans leur article pour la revue Nature, l'équipe du Royaume-Uni, de Suisse et de Singapour s'est fondée sur le fait bien établi que l'énergie consommée par des ordinateurs «actifs» se transformera en chaleur. Leur étude, qui a reçu un financement stimulant du Conseil européen de la recherche, révèle comment, sous certaines conditions, la suppression de données peut à la place créer un effet refroidissant. Ces résultats pourraient avoir des implications sur notre capacité à refroidir manuellement les «superordinateurs», dont la performance est souvent freinée par la surchauffe. Les superordinateurs sont utilisés pour des tâches qui requièrent un niveau élevé de capacité de traitement, telles que pour la météorologie ou la modélisation moléculaire. Les scientifiques expliquent que cet effet refroidissant résulte du phénomène quantique de l'intrication. «Parvenir à contrôler au niveau quantique pour mettre cela dans les superordinateurs représente un énorme défi technologique, mais il n'est peut-être pas impossible. Nous avons été témoins d'énormes progrès en matière de technologies quantiques ces 20 dernières années», explique Vlatko Vedral, un des auteurs de l'étude. «Avec la technologie dans les laboratoires de physique quantique aujourd'hui, on devrait pouvoir effectuer une expérience de validation de principe sur quelques bouts de données.» Le physicien Rolf Landauer a été le premier, en 1961, à découvrir que lorsque les données sont effacées, l'énergie sera inéluctablement libérée sous forme de chaleur. Ce principe implique que lorsqu'un certain nombre d'opérations arithmétiques par seconde est dépassé, l'ordinateur produit alors tellement de chaleur qu'elle ne peut pas se dissiper. Bien que pour les superordinateurs actuels, d'autres sources de chaleur sont plus importantes, l'équipe pense que le pallier critique où la chaleur de suppression de Landauer devient important peut être atteint dans les 10 à 20 prochaines années. L'émission de chaleur à partir de la suppression d'un lecteur de disque dur de 10 téraoctets représente à peine un peu plus qu'un millionième de joule. Toutefois, si un tel processus de suppression était renouvelé plusieurs fois par seconde alors la chaleur s'accumulerait de façon respective. Cette nouvelle étude remet en lumière le principe de Landauer pour des cas où les valeurs des octets à effacer sont connues. Lorsque le contenu de la mémoire est connu, on devrait pouvoir effacer les octets de telle manière à ce qu'il soit théoriquement possible de les recréer. Des études précédentes ont montré qu'une telle suppression réversible génèrerait de la chaleur. Cette nouvelle étude fait progresser les choses en montrant que lorsque les octets à effacer sont intriqués par mécanique quantique à l'état d'un observateur, alors ce dernier pourrait même éliminer la chaleur du système tout en effaçant les octets. L'intrication relie l'état de l'observateur à celui de l'ordinateur de telle façon qu'ils en savent plus sur la mémoire qu'il n'est possible dans la physique quantique. Dans son étude, l'équipe s'est inspirée des idées de la théorie de l'information et de la thermodynamique présentées sous le concept plus connu de l'entropie. Dans la théorie de l'information, l'entropie est une mesure de la densité de l'information qui décrit combien de densité d'information pourrait comprendre un ensemble de données lors d'une compression optimale. Toutefois, dans la thermodynamique, l'entropie est reliée à un désordre des systèmes, par exemple l'arrangement des molécules dans un gaz. Dans la thermodynamique, l'ajout de l'entropie à un système équivaut habituellement à ajouter de l'énergie en tant que chaleur. «Nous avons désormais montré que dans les deux cas, le terme entropie décrit en fait la même chose même dans le régime de mécanique quantique. Notre équipe montre que dans les deux cas, l'entropie est considérée d'un type de manque de connaissances», affirme Renato Renner, de l'équipe de recherche. En pratique, ces résultats signifient que si deux individus effacent des données dans une mémoire et l'un a plus de connaissances à propos de ces données, la mémoire est perçue comme ayant une entropie plus faible et peut être effacée grâce à moins d'énergie. Cette étude, utile pour notre connaissance de la production de chaleur des ordinateurs, pourrait également avoir des implications positives sur le développement d'innovations en matière de thermodynamique.Pour de plus amples informations, consulter: ETH Zürich: http://www.ethz.ch/index_EN
Pays
Suisse, Singapour, Royaume-Uni