Bij het wissen van een bit informatie komt warmte vrij. De hoeveelheid warmte kun je minimaliseren, maar volgens de wetten van de thermodynamica wordt het nooit nul. Natuurkundigen uit Ierland en het Verenigd Koninkrijk hebben nu uitgerekend dat iets vergelijkbaars geldt voor qubits, de bits van quantumcomputers. En qubits blijken verrassend hete uitschieters te hebben.
Als je je hand bij een hardwerkende computer houdt, voel je dat het apparaat behoorlijk warm wordt. Bij het uitvoeren van berekeningen en het up- en downloaden van kattenplaatjes produceert de processor namelijk hitte. Voor het ontwerp van een processor en het inbouwen van ventilatoren is het belangrijk om te weten hoeveel warmte er precies vrijkomt. Zo kun je voorkomen dat er halverwege een spannend computerspel rook uit je computer komt omdat er iets is doorgebrand. Nu de quantumcomputer steeds dichterbij komt, hebben natuurkundigen ook de warmteproductie van quantumbits (qubits) tegen het licht gehouden.
Landauers minimale warmte
Warmte is eigenlijk verloren energie. Bovendien verbruiken ventilatoren die warmte afvoeren ook nog eens energie. Minder warmteproductie betekent dus energiezuinigere computers. Maar hoe goed de processor ook ontworpen is, hij zal altijd een beetje warmte blijven produceren. De wetten van de thermodynamica vertellen ons namelijk dat het onmogelijk is om een bewerking – zoals een bit van 0 naar 1 veranderen – honderd procent energie-efficiënt uit te voeren.
De Duitse IBM-onderzoeker Rolf Landauer berekende in 1961 dat er een minimale hoeveelheid warmte is die vrijkomt als je één informatie-bit van een computer wist. Voor een gewone computer betekent dat dat je een bit terugzet naar de oude waarde. Als de bit begon als 0 en tijdens bewerkingen 1 werd, dan zet je hem dus terug naar 0.
Deze zogeheten landauerlimiet is afhankelijk van de temperatuur van de bit. Bij het wissen van een bit bij kamertemperatuur (20°C) is de limiet bijvoorbeeld 2,8 zeptojoule (een triljardste joule). De huidige computers hebben deze lage waarde nog lang niet bereikt. Ze produceren miljoenen malen meer warmte.
Qubits wissen
Ierse en Engelse onderzoekers hebben nu berekend wat er gebeurt als je een qubit wist. In tegenstelling tot een ‘gewone’ bit – die 0 óf 1 is – kunnen qubits 0 en 1 tegelijkertijd zijn. Die eigenschap maakt het mogelijk om berekeningen gelijktijdig uit te voeren.
De natuurkundigen berekenden van meerdere qubits de hoeveelheid warmte die geproduceerd wordt wanneer je ze wist en bepaalden het gemiddelde. Dat gemiddelde bleek dicht in de buurt te komen van de landauerlimiet voor gewone bits.
Maar dat was het gemiddelde. Quantumdeeltjes hebben de bijzondere eigenschap dat er een (kleine) kans is dat ze iets geks doen. Als je bijvoorbeeld een denkbeeldige bal met quantumeigenschappen tegen een muur gooit, dan zal die meestal terugkaatsen. Maar heel af en toe zal de quantumbal ineens door de muur heen schieten en aan de andere kant op de grond stuiteren.
Zoiets geks kan ook gebeuren bij het wissen van een qubit. Gemiddeld gedragen ze zich zoals verwacht, maar er een kans op uitschieters. Uit simulaties bleek dat ongeveer één op de duizend qubits meer dan dertig keer de landauerlimiet aan warmte produceert.
Dat lijkt niet vaak, maar je moet er wel degelijk rekening mee houden als je een quantumcomputer met miljoenen qubits ontwerpt. Je wilt namelijk niet dat je quantumcomputer oververhit raakt.
Vooralsnog is het verschijnsel een theoretische voorspelling, maar volgens de onderzoekers is het mogelijk om hun berekeningen experimenteel te testen.