La fisica quantistica dietro alla febbre del computer
Avete mai riflettuto sulla fisica che sta dietro al familiare ronzio di un laptop quando si surriscalda appoggiato sulle vostre ginocchia? O sul caldo opprimente generato da un ufficio pieno di computer accesi o in una stanza dei server? Ora un team internazionale di fisici teorici ha fatto una scoperta straordinaria, ovvero che oltre a produrre calore, i computer possono avere al contrario anche un effetto refrigerante. Scrivendo nella rivista Nature, il team proveniente da Regno Unito, Svizzera e Singapore si è basato sul fatto ormai accertato che l'energia consumata dai computer "attivi" alla fine diventa calore. Il loro studio, che ha ricevuto un finanziamento dal Consiglio europeo della ricerca, rivela come in determinate condizioni la cancellazione di dati possa invece creare un effetto refrigerante. Queste scoperte potrebbero avere delle implicazioni per la nostra capacità di raffreddare manualmente i cosiddetti "supercomputer", le cui prestazioni sono spesso ostacolate dal surriscaldamento. I supercomputer sono usati per compiti che richiedono un alto livello di capacità di elaborazione, come ad esempio per la meteorologia o la modellistica molecolare. Gli scienziati spiegano che questo effetto refrigerante avviene come risultato del fenomeno della correlazione quantistica. "Raggiungere il controllo al livello quantistico che sarebbe necessario per implementare questo effetto nei supercomputer rappresenta un'enorme sfida tecnologica, ma potrebbe non essere impossibile. Noi abbiamo assistito a enormi progressi nelle tecnologie quantistiche negli ultimi 20 anni," spiega Vlatko Vedral, uno degli autori dello studio. "Con la tecnologia attualmente disponibile nei laboratori di fisica quantistica dovrebbe essere possibile effettuare un esperimento sulla validità del principio su pochi bit di dati." Fu il fisico Rolf Landauer che per primo capì nel 1961 che quando vengono cancellati dei dati è inevitabile che venga rilasciata dell'energia sotto forma di calore. Questo principio implica che quando si supera un certo numero di operazioni aritmetiche al secondo, il computer produrrà una quantità di calore tale che questo calore sarà impossibile da dissipare. Sebbene oggi per i supercomputer siano altre le fonti di calore più importanti, il team ritiene che la soglia critica dove il calore di cancellazione di Landauer diventa importante possa essere raggiunta nei prossimi 10 o 20 anni. L'emissione di calore dovuta alla cancellazione di un disco fisso da 10 terabyte equivale a poco più di un milionesimo di joule. Tuttavia, se tale processo di cancellazione fosse ripetuto molte volte al secondo, allora il calore si accumulerebbe proporzionalmente. Questo nuovo studio riporta i riflettori sul principio di Landauer per i casi in cui i valori relativi ai bit da cancellare possono essere conosciuti. Quando il contenuto della memoria è conosciuto, dovrebbe essere possibile cancellare i bit in modo tale che sia teoricamente possibile poi ricrearli. Studi precedenti hanno mostrato che questa cancellazione reversibile non genererebbe calore. Questo nuovo studio compie dei progressi mostrando che quando i bit da cancellare sono correlati in modo quantico-meccanico con lo stato di un osservatore, allora l'osservatore potrebbe persino sottrarre calore dal sistema mentre cancella i bit. La correlazione collega lo stato dell'osservatore con quello del computer in modo tale che essi conoscono meglio la memoria di quanto sia possibile nella fisica classica. Nello studio, il team ha utilizzato idee prese dalla teoria dell'informazione e dalla termodinamica in un concetto conosciuto come entropia. Nella teoria dell'informazione, l'entropia è una misura della densità dell'informazione che descrive quanta capacità di memoria un certo set di dati occuperebbe se compresso in modo ottimale. Tuttavia, in termodinamica, l'entropia si riferisce al disordine nei sistemi, ad esempio alla disposizione delle molecole in un gas. In termodinamica, aggiungere entropia a un sistema solitamente equivale a aggiungere energia come calore. "Ora noi abbiamo mostrato che in entrambi i casi, il termine entropia in realtà descrive la stessa cosa persino nel regime meccanico quantistico. Il nostro studio mostra che in entrambi i casi, l'entropia è considerata come un tipo di mancanza di conoscenza," dice Renato Renner, un componente del team di ricerca. In pratica, queste scoperte significano che se due individui cancellano dati in una memoria e uno di essi ha una maggiore conoscenza di questi dati, la memoria è percepita con una entropia più bassa e può quindi essere cancellata usando meno energia. Oltre a essere utile per la nostra conoscenza sulla produzione di calore dei computer, questo studio potrebbe avere delle implicazioni positive per lo sviluppo di innovazioni in termodinamica.Per maggiori informazioni, visitare: ETH Zürich: http://www.ethz.ch/index_EN
Paesi
Svizzera, Singapore, Regno Unito