Em texto anterior, abordei a questão da energia e sua possível conservação em processos computacionais, conforme discussões que, historicamente, deram origem a pesquisas sobre computação conservativa e aos consequentes desenvolvimentos da computação quântica.
Na verdade, estamos esperando a continuação dessas ideias e como estão relacionadas com as maravilhas tecnológicas tão apregoadas no mundo da ubiquidade e da rapidez de propagação da informação.
Fiquei imaginando que a expectativa está relacionada ao possível desenvolvimento das ideias de entrelaçamento (entanglement) e superposição, conhecimentos básicos para o entendimento do conceito de q-bit, originário da notação proposta por Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984), básico para o desenvolvimento de portas, circuitos e algoritmos quânticos.
Entretanto, pretendo tratar desses pontos posteriormente e, para aqueles (as) cuja curiosidade está aguçada, indico o excelente livro Incerteza Quântica, de Rafael Chaves. Por ora, vou continuar discutindo as questões relativas à energia, vista como recurso computacional.
Os versados em desenvolvimento e uso de computadores nas mais diversas tarefas costumam se preocupar com três recursos necessários para execução de seus trabalhos: tempo, memória e energia.
Sobre tempo de execução e quantidade de memória necessária para levar algoritmos computacionais a termo, há ampla literatura especializada, objeto de trabalhos de engenheiros, técnicos e cientistas dedicados à otimização dos processos operacionais.
A questão macroscópica do consumo de energia, principalmente pelos imensos data centers, deve ser assunto de grande preocupação social para preservação da vida no planeta, com ênfase na responsabilização de seu pagamento aos provedores de serviços informáticos, conforme já discuti em texto anterior.
Aqui, pretendo me ocupar da energia relacionada às operações das portas lógicas componentes do sistema computacional, propondo que o processamento da informação implica trocas de energia, seguindo as leis físicas da Termodinâmica, conforme trabalhos pioneiros de Léon Nicolas Brillouin (1889-1969) e Rolf William Landauer (1927-1999).
O processamento de dados, aqui sinônimo de processamento de informação, em sistemas computacionais ou biológicos requer o uso de algum grau de liberdade de um sistema físico, considerando que informação não é simplesmente uma entidade matemática ou filosófica.
Dessa ideia, duas perguntas emergem: qual a quantidade de energia necessária para a realização das funções lógicas e como a execução dessas funções fica imune aos ruídos, isto é, fica isenta de erros.
Publicado pela Scientific American, há um artigo seminal sobre esses dois pontos, escrito por Landauer em parceria com Charles Henry Bennett (1943- ) com o título The Fundamental Physical Limits of Computation.
A principal tese desenvolvida se relaciona com o conceito de reversibilidade de portas lógicas, componentes responsáveis pela execução das diversas operações realizadas em um sistema de computação, operando sobre variáveis de entrada que proporcionam as saídas adequadas às funções necessárias.
As portas lógicas habituais são computacionalmente irreversíveis, isto é, conhecidos os atributos de suas saídas não é possível inferir os valores das entradas de maneira única. A possibilidade de desenvolver portas computacionalmente reversíveis, permitindo conhecer as entradas univocamente a partir das saídas, é a base da computação quântica.
Edward Fredkin (1934-2023) concebeu o que hoje se denomina porta de Fredkin, compatível com a reversibilidade computacional que permite a construção de operações lógicas e aritméticas, viabilizando a tese de Bennett sobre a possibilidade da construção de uma máquina de Turing (computador universal) com processos totalmente reversíveis, física e computacionalmente, com baixa dissipação de energia.
As funções essenciais de um computador são realizadas em estágios resultantes de combinações de portas lógicas nas quais os diversos caminhos percorridos pelos sinais que contêm informação interagem de maneira não linear. Esses estágios lógicos operam, em geral, de maneira computacionalmente irreversível.
Os trabalhos de Bennett e Landauer mostram que a reversibilidade lógica requer reversibilidade física com um limite inferior de dissipação de energia da ordem de kT, por evento lógico, sendo k a constante de Boltzmann (1,380649 × 10⁻²³ J/K) e T, a temperatura. Considerando-se o processo de apagar uma variável lógica que assume o valor 0 (zero) ou 1 (um), esse mínimo gasto de energia é dado pelo produto de kT pelo logaritmo de 2 (dois), por operação de apagar.
Assim, ao apagar uma variável lógica aumentamos a entropia do ambiente de uma quantidade dada por kT log(2). Concluímos, então, que o propósito inicial do grupo reunido por Richard Feynman (1918-1988) de obter computação conservativa levou à computação com o mínimo gasto de energia por operação lógica.
A computação e o processamento quântico de dados têm parte das suas origens na tentativa intermediária aqui descrita de minimizar o gasto de energia, tarefa limitada pelas leis da Termodinâmica.
O prosseguimento dos trabalhos sobre a física da computação, intenso a partir desses resultados, levou a conjecturas de como o uso do entrelaçamento e da superposição de estados quânticos que, essencialmente ocorrem no mundo microscópico, pode viabilizar tarefas computacionais, aprimorando processos e algoritmos, mesmo quando limitados pelo fenômeno da decoerência.
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