¿Qué tipo de computadora es la computadora del agujero negro?
La física y la teoría de la información (derivada de los principios centrales de la mecánica cuántica) convergen: después de todo, la discreción es la naturaleza de la naturaleza; un sistema natural puede describirse mediante un número finito de valores de bits. Dentro del sistema, cada partícula se comporta como las puertas lógicas de una computadora. Su "eje" de giro puede apuntar en una de dos direcciones, por lo que puede codificar un bit y puede girarse para realizar una operación computacional simple.
El sistema además es discreto en el tiempo. El tiempo que lleva transferir un bit es una cantidad mínima de tiempo. La magnitud exacta viene dada por un teorema nombrado por dos pioneros en la física del procesamiento de información: Normam Margolus del MIT y Lev Levitin de la Universidad de Boston. Este teorema está asociado con el principio de incertidumbre de Heisenberg (el principio de incertidumbre describe las compensaciones inherentes al medir dos cantidades físicas relacionadas, como la posición y el impulso o el tiempo y la energía). Afirma que el tiempo t que se tarda en transmitir un bit depende de la energía E que aplicas. Cuanta más energía apliques, más corto será el tiempo. La expresión matemática es T≥h/4E, donde h es la constante de Planck (el principal parámetro de la teoría cuántica). Por ejemplo, un tipo de computadora cuántica experimental utiliza protones para almacenar bits de información y campos magnéticos para invertir el valor de cada bit. Estas operaciones ocurren en el tiempo mínimo permitido por el teorema de Margolus-Levitin.
A partir de este teorema se pueden derivar un gran número de conclusiones, que van desde los límites geométricos del espacio y el tiempo hasta la potencia de cálculo de todo el universo. Como adelanto, consideremos los límites de la potencia informática de la materia ordinaria; en este caso, un kilogramo de materia ocupa un volumen de un litro. Llamémoslo una "computadora portátil extrema". ¿Qué se considera una computadora? Se trata de una cuestión sorprendentemente compleja. No importa con qué precisión lo definas, no se trata sólo de lo que la gente suele llamar "computadoras", sino de cualquier objeto del mundo. Los objetos en la naturaleza pueden resolver amplios problemas lógicos y matemáticos, incluso aunque sus entradas y salidas no sean significativas para los humanos. Las computadoras naturales son inherentemente digitales: almacenan datos en estados cuánticos discretos, como los espines de partículas elementales. Su conjunto de instrucciones es física cuántica.
Cada vez que las partículas interactúan, provocan un cambio en la orientación de las demás. Este proceso se puede imaginar con la ayuda de lenguajes de programación como C o Java: las partículas son variables y sus interacciones son operaciones como la suma. Cada bit de información se puede invertir 10^20 veces por segundo, lo que equivale a una velocidad de reloj de 100GG Hz. De hecho, el sistema cambia demasiado rápido para ser controlado por un reloj central. El tiempo que lleva invertir un bit digital es aproximadamente igual al tiempo que lleva transmitir una señal de un dígito a un dígito adyacente. Por lo tanto, la computadora de mano ultraportátil es altamente paralela: no funciona como un solo procesador, sino como una enorme variedad de procesadores múltiples, cada procesador funciona casi de forma independiente y transmite los resultados de sus operaciones a otros procesadores en procesadores relativamente lentos. .
A modo de comparación, una computadora convencional invierte sus bits de información aproximadamente 10^9 veces por segundo, almacena aproximadamente 10^12 bits de información y contiene un solo procesador. Si se puede mantener la Ley de Moore, sus descendientes podrán comprar una computadora portátil extrema a mediados del siglo XXIII. Los ingenieros encontrarán formas de controlar con precisión las interacciones de las partículas en un plasma más caliente que el núcleo del Sol, y el control de las computadoras y la corrección de errores consumirán gran parte del ancho de banda de las comunicaciones. Es posible que los ingenieros también hayan resuelto algunos problemas de empaquetado de nodos.
En cierto sentido, si identificas a las personas adecuadas, puedes comprar dicho dispositivo. Un kilogramo de materia se convierte completamente en energía: esta es la definición práctica de una bomba de hidrógeno de 20 megatones. Un arma nuclear en explosión procesa enormes cantidades de información: su estructura inicial proporciona la entrada y su radiación la salida. Si cualquier trozo de materia puede considerarse como una computadora, entonces un agujero negro es exactamente una computadora comprimida al tamaño más pequeño. A medida que una computadora se encoge, la atracción mutua entre sus componentes aumenta hasta que eventualmente se vuelve tan grande que nada puede escapar. El tamaño de un agujero negro (llamado radio de Schwarzschild) es proporcional a su masa.
Un agujero negro con una masa de un kilogramo tiene un radio de unos 10^-27 metros (el radio de un protón es de 10*-15 metros).
La computadora comprimida no cambia su contenido de energía, por lo que puede realizar las mismas 10*51 operaciones por segundo que antes. Lo único que ha cambiado es su capacidad de almacenamiento. Cuando la gravedad es tan pequeña que puede ignorarse, la capacidad total de almacenamiento es proporcional al número de partículas y también al volumen. Cuando la gravedad domina, conecta las partículas entre sí, por lo que pueden almacenar menos información en general. La capacidad total de almacenamiento de un agujero negro es proporcional a su superficie. En la década de 1970, Hawking y Jacob Bekenstein, de la Universidad Hebrea de Israel, calcularon que un agujero negro con una masa de un kilogramo podría registrar alrededor de 10 x 16 bits de información, mucho menos que antes de la compresión.
Al almacenar menos información, un agujero negro es un procesador mucho más rápido. El tiempo que se tarda en transmitir un bit es de 10^-35 segundos, que es igual al tiempo que tarda la luz en viajar de un lado de la computadora al otro. Por lo tanto, en comparación con las computadoras de mano extremas y altamente paralelas, el agujero negro es una computadora en serie que se comporta como una sola unidad. La salida de una computadora de agujero negro toma la forma de radiación de Hawking. Si un agujero negro con una masa de un kilogramo emite radiación de Hawking, para mantener la energía de la radiación, su masa decaerá rápidamente y desaparecerá por completo en 10*-21 segundos. La longitud de onda máxima de la radiación es igual al radio del agujero negro, que para un agujero negro con una masa de un kilogramo es igual a la longitud de onda de los rayos gamma extremadamente intensos. Los detectores de partículas pueden capturar y decodificar esta radiación para uso humano.
La investigación de Hawking sobre la radiación de los agujeros negros ha relacionado su nombre con esta radiación. Derribó la creencia popular de que nada puede escapar de un agujero negro. La tasa de radiación de un agujero negro es inversamente proporcional a su tamaño, por lo que los agujeros negros grandes, como los que se encuentran en los centros de las galaxias, pierden energía mucho más lentamente de lo que devoran materia. Sin embargo, en el futuro, los experimentadores pueden crear pequeños agujeros negros dentro de aceleradores de partículas que explotarán con una explosión de radiación. Se puede pensar en un agujero negro no como un objeto fijo, sino como una colección efímera de materia que realiza operaciones al máximo ritmo posible.
A partir de la energía total contenida en el universo, Lloyd calculó que la computadora cósmica podría realizar 10 veces 10.120 operaciones básicas. La información que puede almacenar es de aproximadamente 10.090 bits. Si se tienen en cuenta los llamados "grados de libertad gravitacionales", el ordenador cósmico todavía tiene potencial para ser aprovechado: la capacidad de almacenamiento se puede aumentar hasta 10.120 bits. Esto equivale aproximadamente a 10 10103 veces un disco duro con una capacidad de 10G. Sin embargo, parece que no podemos crear tantos discos duros porque el universo sólo tiene alrededor de 10 1080 veces partículas básicas.