Principi de Landauer

El principi de Landauer és un principi físic que concernix a una quota inferior teòrica per al consum d'energia de la computació. Establix que "qualsevol manipulació llògicament irreversible d'informació, tal com l'eliminació d'un bit, o el fusionant de dos camins de computació, té que ser acompanyada per un aument d'entropía corresponent en graus de llibertat que no contenen informació de l'aparat que processa dita informació, o del seu entorn".

Una atra manera de frasear el principi de Landauer és que si un observador pert informació sobre un sistema físic, l'observador pert la capacitat d'extraure treball d'aquell sistema.

Una computació llògicament reversible, en la qual cap informació és borrada, pugues en principi ser portada a terme sense lliberar qualsevol calor. Açò ha dut a un interés considerable en l'estudi de computació reversible. De fet, sense computació reversible, tot aument en el número de computació per joule d'energia dissipat deu detindre's en algun moment.

En 20 °C (temperatura d'habitació, o 293.15 K), el llímit de Landauer representa una cantitat d'energia d'aproximadament 0.0175 eV, o 2.805 zJ. Teòricament, la memòria d'un ordenador en un lloc en temperatura d'habitació que opera en el llímit de Landauer podria ser canviat a una raó d'un billó de bits per segon (1 Gbit/s), sent l'energia convertida per a calfar en els mijos de comunicació de memòria en una raó de només 2.805 trillionésimas d'un vat (açò és, a una raó de només 2.805 pJ/s). Millons d'usuaris d'ordenadors moderns utilisen un milló de voltes eixa energia per segon.

Història

Rolf Landauer va propondre per primera volta este principi en 1961 mentres treballava en IBM. Va justificar i va establir llímits importants per a una conjectura formulada anteriorment per John von Neumann. Per esta raó, a voltes és referit com simplement la quota de Landauer, o el llímit de Landauer.

En 2011, este principi va ser generalisat per a mostrar que mentres que borrar informació requerix un aument en entropía, este aument teòricament podria ocórrer baix cap cost d'energia. En canvi, el cost pot ser pres en una atra cantitat física conservada, com moment angular.

En un artícul publicat en el 2012 en la revista Nature, un equip de físics del École normale supérieure de Lió, de l'Universitat d'Augsburc i de l'Universitat de Kaiserslautern va descriure que per primera volta havien medit la cantitat minúscula de calor que és lliberat quan un bit d'informació individual és borrat.

En 2014, una série d'experiments físics varen provar el principi de Landauer i varen confirmar les seues prediccions.

En 2016, uns investigadors varen utilisar una proba de làser per a medir la cantitat de malbarat d'energia que resultava quan un bit nanomagnético canviava de capcionat a apagat. Canviar l'estat del bit va requerir 26 millielectrovolteos (4.2 zeptojulios).

Un artícul publicat en 2018 en Nature Physics presenta una borradura de Landauer realisada en temperatures criogèniques (T = 1 K) en un apany d'imans moleculars quàntics d'alt-espin (S = 10). L'apany està fet per a actuar com un registre d'espin a on cada nanomagneto codifica un sol bit d'informació. Este experiment ha deixat les bases per a l'extensió de la validea del principi de Landauer dins del món quàntic. A causa de la dinàmica ràpida i la "inèrcia baixa" dels espin individuals utilisats en l'experiment, els investigadors també varen mostrar cóm una operació de borradura pot ser portada a terme per mig del cost termodinàmic més baix possible— impost pel Landauer principi—i a una velocitat alta.

Racionalisació

El principi de Landauer pot ser entés com una conseqüència llògica senzilla del segon principi de la termodinàmica —que establix que la entropía d'un sistema aïllat no pot disminuir—junt en la definició de temperatura termodinàmica. Ya que, si el número dels estats llògics possibles d'una computació anaren a disminuir conforme la computació procedixca (irreversibilitat llògica), açò constituiria una disminució d'entropía no admissible, a no ser que el número dels estats físics possibles que corresponen a cada estat llògic anaren a aumentar simultàneament per a lo manco una cantitat compensadora, de modo que el número total d'estats físics possibles fora no més chicotet que lo que era originalment (i.i. la entropía total ha no disminuït).

No obstant, un aument en el número d'estats físics que corresponen a cada estat llògic implica que, per a un observador que està mantenint la pista de l'estat llògic del sistema pero no l'estat físic (per eixemple un "observador" que consistix en l'ordenador mateix), el número d'estats físics possibles ha aumentat; en atres paraules, la entropía ha aumentat des del punt de vista d'este observador.

La entropía màxima d'un sistema físic acotat és finita. (Si el principi holográfico és correcte, llavors els sistemes físics en àrea de superfície finita tenen una entropía màxima finita; pero independent de la veracitat del principi holográfico, la teoria de camp quàntic establix que la entropía de sistemes en energia i ràdio finitos deu ser finita, com a conseqüència de la quota de Bekenstein.) Per a evitar conseguir esta quota màxima sobre el curs d'una computació estesa, la entropía finalment té que ser expulsada a un entorn exterior.