Er komt warmte vrij als er een stukje informatie wordt verwijderd. Je kunt de hoeveelheid warmte minimaliseren, maar volgens de wetten van de thermodynamica wordt het nooit nul. Natuurkundigen uit Ierland en het Verenigd Koninkrijk hebben nu berekend dat iets vergelijkbaars geldt voor qubits, de bits van kwantumcomputers. En qubits blijken verrassend hete uitschieters te hebben.
Als je je hand op een hardwerkende computer legt, voel je dat het apparaat behoorlijk warm wordt. De processor produceert warmte bij het uitvoeren van berekeningen en het uploaden en downloaden van kattenfoto’s. Voor het ontwerp van een processor en de installatie van ventilatoren is het belangrijk om precies te weten hoeveel warmte er vrijkomt. Zo voorkom je dat er halverwege een spannend computerspel rook uit je computer komt omdat er iets is opgebrand. Nu de kwantumcomputer dichterbij komt, hebben natuurkundigen ook de warmteproductie van kwantumbits (qubits) onderzocht.
Landauers minimale warmte
Warmte is eigenlijk verloren energie. Bovendien verbruiken ventilatoren die warmte afvoeren ook energie. Minder warmteproductie betekent dus meer energiezuinige computers. Maar hoe goed de processor ook is ontworpen, hij zal altijd wat warmte blijven produceren. De wetten van de thermodynamica vertellen ons dat het onmogelijk is om een operatie – zoals een beetje veranderen van 0 naar 1 – honderd procent energiezuinig uit te voeren.
De Duitse IBM-onderzoeker Rolf Landauer berekende in 1961 dat er een minimale hoeveelheid warmte vrijkomt als je een stukje informatie van een computer verwijdert. Voor een normale computer betekent dit dat je een beetje reset naar de oude waarde. Als de bit begon als 0 en tijdens bewerkingen 1 werd, dan reset je deze naar 0.
Deze zogenaamde landauerlimiet hangt af van de temperatuur van het bit. Als je bijvoorbeeld een beetje wist bij kamertemperatuur (20 ° C), is de limiet 2,8 zeptojoule (een biljoenste joule). De huidige computers bereiken deze lage waarde nog lang niet. Ze produceren miljoenen keren meer warmte.
Qubits kennen
Ierse en Engelse onderzoekers hebben nu berekend wat er gebeurt als je een qubit wist. In tegenstelling tot een ‘gewone’ bit – die 0 of 1 is – kunnen qubits tegelijkertijd 0 en 1 zijn. Deze eigenschap maakt het mogelijk om tegelijkertijd berekeningen uit te voeren.
De natuurkundigen berekenden de hoeveelheid warmte die wordt geproduceerd als je ze uit verschillende qubits wist en bepaalden het gemiddelde. Dat gemiddelde bleek voor gewone bits dicht bij de landau-limiet te liggen.
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 kwantumeigenschappen tegen een muur gooit, zal deze meestal terugkaatsen. Maar heel af en toe schiet de kwantumbal plotseling door de muur en stuitert aan de andere kant op de grond.
Zoiets gek kan ook gebeuren bij het wissen van een qubit. Ze gedragen zich gemiddeld zoals verwacht, maar er is een risico op uitschieters. Simulaties toonden aan dat ongeveer een op de duizend qubits meer dan dertig keer de landau-limiet van warmte produceert.
Dat lijkt niet veel, maar je moet er rekening mee houden bij het ontwerpen van een kwantumcomputer met miljoenen qubits. Je wilt niet dat je kwantumcomputer oververhit raakt.
Het fenomeen is vooralsnog een theoretische voorspelling, maar volgens de onderzoekers is het mogelijk om hun berekeningen experimenteel te toetsen.
“Valt vaak neer. Subtiel charmante tv-liefhebber. Toegewijde internetfan. Muziekbeoefenaar.”