El principio de Landauer, un concepto fundamental en la termodinámica que también tiene relevancia en la teoría de la información, establece que la eliminación de un bit de información de un sistema informático implica la disidipación de al menos una cantidad específica de energía, equivalente a kBTln2. Este principio ha sido principalmente considerado en el contexto de los ordenadores clásicos y los sistemas de procesamiento de información.
Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Viena, la Freie Universität Berlín, la Universidad de Columbia Británica, la Universidad de Creta y la Università di Pavia ha ampliado la aplicación del principio de Landauer a los sistemas cuánticos de muchos cuerpos, es decir, aquellos compuestos por múltiples partículas cuánticas en interacción. Su trabajo, publicado en la revista Nature Physics, presenta un enfoque viable para investigar experimentalmente este principio crucial en un régimen cuántico y poner a prueba las predicciones teóricas relacionadas con la termodinámica cuántica.
El Vínculo entre Termodinámica e Información
Según Jens Eisert, autor principal del estudio, «se ha reconocido durante mucho tiempo que los conceptos de termodinámica e información están profundamente entrelazados». Científicos pioneros como Boltzmann y Gibbs fueron guiados por profundas intuiciones sobre cómo el conocimiento que poseemos de un sistema moldea su descripción significativa, una comprensión que luego fue enriquecida por el trabajo fundamental de Shannon en la teoría de la información abstracta. En su esencia, la información rige el comportamiento de los sistemas termodinámicos, determinando si la energía se canaliza en trabajo útil o se disipa como calor.
Los experimentos mentales llevados a cabo por los físicos James Clerk Maxwell y Leo Szilard en los siglos XIX y XX, respectivamente, fueron de los primeros en introducir la idea de que la termodinámica surge de la información incompleta. Este concepto desafió teorías anteriores, delineando paradojas que emergen bajo ciertas suposiciones hipotéticas sobre el acceso a la información en un sistema.
El reciente estudio de Eisert y sus colegas se basa en estos trabajos anteriores y aprovecha una plataforma experimental desarrollada por Jörg Schmiedmayer. Esta plataforma consiste en una arquitectura de chip atómico que ofrece un control excepcional sobre átomos ultrafríos en configuraciones continuas. «Nuestro interés se centró en cómo conceptos como la eliminación de información y la producción de calor podrían manifestarse en este régimen cuántico ajustable», explica Eisert. «Esto nos llevó naturalmente al principio de Landauer, que afirma que borrar información implica necesariamente la disidipación de calor en el entorno, estableciendo una conexión fundamental entre la termodinámica y la información.»
A pesar de que el principio de Landauer ha sido ampliamente estudiado, no se había verificado en un entorno experimental hasta ahora. Los investigadores buscaban explorar sus implicaciones en el contexto de los sistemas cuánticos, lo que podría enriquecer tanto la comprensión del principio como de los sistemas estudiados.
Para probar el principio de Landauer en un sistema cuántico complejo, Eisert y sus colegas emplearon un simulador de campos cuánticos, un sistema que puede simular el comportamiento guiado por la mecánica cuántica de partículas y campos. Su simulador se basó en átomos de gas de Bose ultrafríos, que son conocidos por comportarse como sistemas cuánticos al ser enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto. El trabajo experimental para este estudio se llevó a cabo en un laboratorio de referencia dirigido por Jörg Schmiedmayer en la Universidad Técnica de Viena.
Los resultados de las simulaciones cuánticas del equipo se alinearon con predicciones enraizadas en la teoría cuántica de campos, un marco que describe el comportamiento de partículas y campos basado en las leyes de la mecánica cuántica. Para explicar sus hallazgos, los investigadores combinaron teorías de física clásica con correcciones cuánticas, empleando así un marco de cuasipartículas semiclasicas. «Metodológicamente, esto se logra mediante un esquema de reconstrucción tomográfica dinámica que hemos co-desarrollado, el cual explota instantes seleccionados de evolución temporal para acceder y reconstruir propiedades cuánticas incompatibles», detalla Eisert.
Este estudio subraya el potencial de los simuladores cuánticos basados en átomos ultrafríos para explorar conceptos enraizados en la termodinámica cuántica. En el futuro, podría inspirar a otros equipos de investigación a realizar experimentos similares, lo que eventualmente informaría el desarrollo de nuevos procesadores cuánticos y otras tecnologías cuánticas. «Nos gustaría explorar mejor esta plataforma, desarrollarla en una máquina térmica y observar el entrelazamiento y las correlaciones cuánticas en acción», concluye Eisert, vislumbrando un futuro fascinante en este campo.
