By Marina Sousa 
A revolução tecnológica da ubiquidade e da rapidez da informação nos faz olhar para o futuro, onde conceitos como entrelaçamento (entanglement) e superposição, pilares do q-bit e da computação quântica, prometem maravilhas. Mas antes de mergulharmos nos algoritmos e circuitos quânticos, é fundamental compreender as bases físicas que regem a própria informação e o processamento de dados. É nesse cenário que os trabalhos pioneiros de Léon Nicolas Brillouin e Rolf William Landauer se destacam, nos guiando pelas leis da Termodinâmica aplicadas à computação.
A Energia como Recurso Computacional: Além do Tempo e da Memória
Para engenheiros, técnicos e cientistas da computação, três recursos são sempre cruciais: tempo de execução, memória e energia. Enquanto os dois primeiros possuem vasta literatura dedicada à otimização, a questão da energia, especialmente o consumo massivo de grandes data centers, ganha cada vez mais relevância social e ambiental. No entanto, a discussão vai além do macro. A física da informação nos leva a uma análise microscópica: a energia intrínseca às operações das portas lógicas, os blocos fundamentais de qualquer sistema computacional. A premissa é clara: o processamento da informação implica trocas de energia, regidas pelas inegáveis leis da Termodinâmica.
A Física por Trás da Informação: Limites e Reversibilidade
A informação não é meramente uma entidade abstrata, matemática ou filosófica; ela é intrinsecamente ligada a um grau de liberdade de um sistema físico. Dessa perspectiva, emergem duas perguntas cruciais: qual a quantidade mínima de energia necessária para realizar funções lógicas e como garantir que essas operações sejam imunes a ruídos, ou seja, isentas de erros? A resposta para essas indagações foi profundamente explorada em um artigo seminal de Rolf Landauer e Charles Henry Bennett, intitulado “The Fundamental Physical Limits of Computation”, publicado pela Scientific American. A tese central girava em torno do conceito de reversibilidade das portas lógicas. Enquanto as portas lógicas convencionais são computacionalmente irreversíveis — não sendo possível inferir as entradas de forma única a partir das saídas —, a possibilidade de portas reversíveis, que permitem essa inferência unívoca, é a base da computação quântica.
O Paradigma da Reversibilidade e o Gasto Mínimo de Energia
A busca pela reversibilidade computacional ganhou um marco com Edward Fredkin, que concebeu a hoje famosa porta de Fredkin. Essa porta é compatível com a reversibilidade e permite a construção de operações lógicas e aritméticas, validando a tese de Bennett sobre a viabilidade de uma Máquina de Turing (computador universal) com processos totalmente reversíveis, tanto física quanto computacionalmente, e com baixa dissipação de energia. Os trabalhos de Bennett e Landauer demonstraram que a reversibilidade lógica exige reversibilidade física, impondo um limite inferior de dissipação de energia da ordem de kT por evento lógico. Isso significa que, ao apagar uma variável lógica (que assume valor 0 ou 1), há um gasto mínimo de energia dado pelo produto de kT pelo logaritmo de 2, por operação. Esse processo não é sem custo: ao apagar um bit de informação, aumentamos a entropia do ambiente em kT log(2). Essa descoberta foi um desdobramento da meta inicial do grupo de Richard Feynman de desenvolver uma computação conservativa, que culminou na compreensão do gasto mínimo de energia por operação lógica.
De Landauer à Computação Quântica: O Próximo Salto
A jornada para minimizar o gasto de energia na computação, embora limitada pelas leis da Termodinâmica, pavimentou o caminho para o campo da computação quântica. Os resultados desses estudos intensificaram a pesquisa sobre a física da computação, levando a conjecturas fascinantes sobre como o entrelaçamento e a superposição de estados quânticos, fenômenos inerentes ao mundo microscópico, poderiam revolucionar tarefas computacionais. Mesmo diante de desafios como a decoerência, esses princípios fundamentais prometem aprimorar processos e algoritmos de maneiras inimagináveis. A computação quântica, portanto, não é apenas um salto tecnológico, mas uma continuação lógica de uma profunda investigação sobre os limites físicos da informação e da energia.
A compreensão de que a informação é um ente físico e que seu processamento está intrinsecamente ligado às leis da Termodinâmica, conforme desvendado por Brillouin e Landauer, é a espinha dorsal de todo o avanço computacional. Ela não apenas define os limites do que é possível, mas também inspira a busca incessante por soluções cada vez mais eficientes e poderosas, culminando na promessa da era quântica.
Fonte: jornal.usp.br