Revolução na tecnologia de informação

Nova lei da física: Entropia da informação diminui com o tempo

Ao longo do tempo, os estados de informação desaparecem gradualmente devido ao auto-apagamento, reduzindo a entropia de informação do sistema.

Segunda lei da dinâmica da informação

Ainda que já nos tenha dado coisas como novas formas de pensar sobre a computação quântica, promessas de uma computação sem consumo de energia e até um motor movido a informação, a conexão entre a termodinâmica e a teoria da informação pode ser mais profunda do que os cientistas acreditavam.

Computação sem gasto de energia

O dispositivo lógico construído pela equipe italiana consiste em um minúsculo braço oscilante que se dobra em resposta às tensões aplicadas aos eletrodos instalados próximos à sua extremidade. Essa configuração permitiu imitar uma porta lógica eletrônica construída com transistores.

Como as forças para operar essa porta lógica mecânica são minúsculas, foi possível calcular a energia gasta para executar uma única operação lógica e verificar se essa operação lógica individual gera ou não uma dissipação de calor.

E não gera.

A equipe verificou que uma operação lógica em seu dispositivo pode ser realizada com um consumo de energia que representa apenas 5% do limite de Landauer.

“Agora estamos procurando por outra fonte de financiamento para continuar com essa pesquisa. Nosso objetivo é construir um dispositivo de computação completo para mostrar que você pode fazer toda a computação” com consumo quase zero de energia, disse Gammaitoni.

Informação como combustível

Pesquisadores construíram um motor incrivelmente rápido que aproveita um novo tipo de combustível – a informação.

O desenvolvimento desse motor, que converte o movimento aleatório de uma partícula microscópica em energia armazenada, pode levar a avanços significativos na velocidade e no custo dos computadores e das bio-nanotecnologias.

“Queríamos descobrir a velocidade com que um motor de informação pode funcionar e quanta energia ele pode extrair, então construímos um,” conta o professor John Bechhoefer, da Universidade Simon Fraser, no Canadá, acrescentando que a compreensão de como converter informações em “trabalho de maneira rápida e eficiente pode viabilizar o projeto e a construção de mecanismos de informação no mundo real”.

Motores desse tipo foram propostos pela primeira vez há mais de 150 anos, mas construí-los de verdade só recentemente se tornou possível.

Da termodinâmica à teoria da informação

Os motores de informação são uma realização moderna do experimento mental do chamado demônio de Maxwell. Esse “demônio” – que nada tem de diabólico – é uma nanomáquina idealizada teoricamente pelo físico James Clerk Maxwell em 1867. Ele viola a Segunda Lei da Termodinâmica manipulando moléculas quentes e frias conforme elas fluem entre dois recipientes, fazendo assim o calor fluir na contramão, diminuindo a entropia.

Em 1948, Claude Shannon, considerado o fundador da teoria da informação, mostrou que o conteúdo de informação de uma mensagem pode ser quantificado com o que ele chamou de “entropia de informação”.

Finalmente, em 1961, Rolf Landauer mostrou que, mesmo apagar uma informação consome energia, estabelecendo o elo que faltava entre a teoria da informação e a termodinâmica.

Desde então, inúmeros experimentos confirmaram o princípio de Landauer, inverteram o sentido do fluxo de calor e mostraram que até mesmo medir o tempo aumenta a entropia.

O que a equipe fez agora foi projetar e montar um motor movido à informação que se mostrou o mais rápido construído até hoje.

O mesmo arcabouço teórico usado para construir o motor movido a informação leva a crer que as informações digitais equivalerão à metade da massa da Terra em pouco mais de 200 anos.

Motor movido a informação

O motor movido a informação consiste em uma partícula microscópica, imersa em água e presa a uma mola, por sua vez fixada a um tablado móvel. Os pesquisadores então observam a partícula saltando para cima e para baixo devido ao movimento térmico.

“Quando vemos um salto para cima, movemos o tablado em resposta,” explicou o pesquisador Tushar Saha. “Quando vemos um salto para baixo, esperamos. Isso acaba levantando todo o sistema usando apenas informações sobre a posição da partícula.”

Repetindo esse procedimento, eles elevam a partícula a uma grande altura, e assim armazenam uma quantidade significativa de energia gravitacional, sem ter que puxar diretamente a partícula. E motor então ganha movimento sustentado.

O motor atingiu uma velocidade máxima de 190 micrômetros por segundo e uma potência máxima de 103 kBT/s, números comparáveis aos medidos nos motores biológicos das bactérias.

“Em nossa análise teórica, encontramos uma compensação interessante entre a massa da partícula e o tempo médio para que a partícula salte para cima. Enquanto as partículas mais pesadas podem armazenar mais energia gravitacional, geralmente levam mais tempo para subir,” comentou Joseph Lucero.

“Guiados por esse insight, escolhemos a massa da partícula e outras propriedades do motor para maximizar a rapidez com que o motor extrai energia, superando os projetos anteriores e alcançando potência comparável à maquinaria molecular em células vivas e velocidades comparáveis às bactérias que nadam rapidamente,” finalizou o professor Jannik Ehrich.

Melvin Vopson (Universidade de Portsmouth) e Serban Lepadatu (Universidade de Lancashire Central) descobriram que a segunda lei da termodinâmica, quando aplicada à informação, funciona de modo exatamente oposto à mesma lei aplicada aos fenômenos físicos comuns.

A dupla defende que é possível falar em uma “nova lei da física“, que eles chamam de infodinâmica – uma segunda lei da dinâmica da informação.

Segundo os pesquisadores, a descoberta pode ter implicações maciças para desenvolvimentos futuros nas pesquisas de computação, megadados, física, cosmologia, genômica e biologia evolutiva.

Mundo quântico desafia a termodinâmica

(a) Esquema de um material em estado virgem, sem informações armazenadas; (b) a palavra INFORMAÇÃO é escrita no material em código binário usando gravação magnética; e (c) a grade de estados de informação 0 e 1 criada no processo de registro da informação.

[Imagem: Melvin M. Vopson et al. – 10.1063/5.0100358]

Entropia da informação diminui

“Na física, existem leis que governam tudo o que acontece no universo, por exemplo, como os objetos se movem, como a energia flui e assim por diante. Tudo é baseado nas leis da física. Uma das leis mais poderosas é a segunda lei da termodinâmica, que estabelece que a entropia – uma medida de desordem em um sistema isolado – só pode aumentar ou permanecer a mesma, mas nunca diminuirá,” contextualiza Vopson.

É esta lei que nos dá a noção de seta do tempo, a ideia de que o tempo só vai do passado para o futuro, nunca retornando, explicando porque uma xícara que se quebra nunca se “desquebra”, por exemplo.

Se há uma ligação tão estreita entre a termodinâmica e a teoria da informação, seria de se presumir que a entropia da informação também se comporte do mesmo jeito, com tudo ficando cada vez mais bagunçando, nunca se ordenando de volta.

“Mas o que o Dr. Lepadatu e eu descobrimos foi exatamente o oposto – [a entropia da informação] diminui com o tempo. A segunda lei da dinâmica da informação funciona exatamente em oposição à segunda lei da termodinâmica,” disse Vopson.

“Usando dois sistemas de informação diferentes, armazenamento de dados digitais e um genoma de RNA biológico, demonstramos que a segunda lei da infodinâmica exige que a entropia da informação permaneça constante ou diminua ao longo do tempo. Isso é exatamente o oposto da evolução da entropia física, conforme ditada pela segunda lei da termodinâmica,” escreveu a dupla.

Calor move-se do frio para o quente – mas Segunda Lei da Termodinâmica está bem

Determinismo nas mutações genéticas?

Como sistema de informação biológico, a dupla analisou genomas reais do vírus Sars-CoV-2, causador da covid-19, e descobriu que sua entropia de informação diminuiu ao longo do tempo.

“O melhor exemplo de algo que sofre várias mutações em um curto espaço de tempo é um vírus. A pandemia nos deu a amostra de teste ideal conforme o Sars-CoV-2 sofria mutações em tantas variantes; os dados disponíveis são inacreditáveis. Os dados da covid confirmam a segunda lei da infodinâmica e a pesquisa abre possibilidades ilimitadas,” disse Vopson.

Enquanto o consenso científico é que as mutações são aleatórias e a seleção natural estabelece quais delas prevalecerão, se a segunda lei da infodinâmica for mesmo validada em outros experimentos, passa a ser possível prever a própria seleção natural.

“Imagine olhar para um genoma específico e julgar se uma mutação é benéfica antes que ela aconteça. Isso pode ser uma tecnologia revolucionária que pode ser usada em terapias genéticas, na indústria farmacêutica, biologia evolutiva e pesquisa pandêmica,” disse o pesquisador.

O impacto científico também seria enorme, já que equivaleria a retirar o “aleatório” de todas as teorias da biologia e da genética.

“Mas, e se houver um processo oculto que dirige essas mutações? Toda vez que vemos algo que não entendemos, descrevemos como ‘aleatório’ ou ‘caótico’ ou ‘paranormal’, mas é apenas nossa incapacidade de explicá-lo. Se pudermos começar a olhar para as mutações genéticas de um ponto de vista determinístico, podemos explorar essa nova lei da física para prever mutações – ou a probabilidade de mutações – antes que elas ocorram,” propõe Vopson.