Principio de landauer

El principio de Landauer es un principio físico perteneciente al límite teórico inferior del consumo de energía de la computación. Sostiene que un cambio irreversible en la información almacenada en una computadora, como la fusión de dos rutas computacionales, disipa una cantidad mínima de calor a su entorno.

El principio fue propuesto por primera vez por Rolf Landauer en 1961.

Declaración

El principio de Landauer establece que la energía mínima necesaria para borrar un bit de información es proporcional a la temperatura a la que está funcionando el sistema. Más específicamente, la energía necesaria para esta tarea computacional viene dada por

E≥ ≥ kBTIn⁡ ⁡ 2,{displaystyle Egeq k_{text{B}Tln 2,}

Donde kB{displaystyle k_{text{B}} es la constante de Boltzmann. A temperatura ambiente, el límite de Landauer representa una energía de aproximadamente 0.018 eV (2.9×10⁻²¹ J). Las computadoras modernas utilizan alrededor de mil millones de veces más energía por operación.

Historia

Rolf Landauer propuso por primera vez este principio en 1961 mientras trabajaba en IBM. Justificó y estableció límites importantes a una conjetura anterior de John von Neumann. Por esta razón, a veces se lo denomina simplemente límite de Landauer o límite de Landauer.

En 2008 y 2009, los investigadores demostraron que el principio de Landauer se puede derivar de la segunda ley de la termodinámica y el cambio de entropía asociado con la ganancia de información, desarrollando la termodinámica de los sistemas cuánticos y clásicos controlados por retroalimentación.

En 2011, el principio se generalizó para mostrar que, si bien el borrado de información requiere un aumento de la entropía, este aumento, en teoría, podría ocurrir sin costo de energía. En cambio, el costo se puede tomar en otra cantidad conservada, como el momento angular.

En un artículo de 2012 publicado en Nature, un equipo de físicos de la École normale supérieure de Lyon, la Universidad de Augsburgo y la Universidad de Kaiserslautern describieron que por primera vez habían medido la pequeña cantidad de calor liberada cuando un individuo mordía de datos se borra.

En 2014, experimentos físicos probaron el principio de Landauer y confirmaron sus predicciones.

En 2016, los investigadores utilizaron una sonda láser para medir la cantidad de disipación de energía que se producía cuando un bit nanomagnético pasaba de apagado a encendido. Girar la broca requirió 26 milielectronvoltios (4,2 zeptojulios).

Un artículo de 2018 publicado en Nature Physics presenta un borrado de Landauer realizado a temperaturas criogénicas (T = 1 K) en una serie de imanes moleculares cuánticos de alto espín (S = 10). La matriz está diseñada para actuar como un registro de espín donde cada nanoimán codifica un único bit de información. El experimento sentó las bases para la extensión de la validez del principio de Landauer al ámbito cuántico. Debido a la rápida dinámica y la baja "inercia" De los espines individuales utilizados en el experimento, los investigadores también demostraron cómo se puede realizar una operación de borrado al menor coste termodinámico posible (el impuesto por el principio de Landauer) y a alta velocidad.

Desafíos

El principio es ampliamente aceptado como ley física, pero en los últimos años ha sido cuestionado por utilizar razonamiento circular y suposiciones erróneas, especialmente en Earman y Norton (1998), y posteriormente en Shenker (2000) y Norton (2004, 2011). ), y defendido por Bennett (2003), Ladyman et al. (2007) y Jordan y Manikandan (2019). Sagawa y Ueda (2008) y Cao y Feito (2009) han demostrado que el principio de Landauer es una consecuencia de la segunda ley de la termodinámica y la reducción de entropía asociada con la ganancia de información.

Por otro lado, los avances recientes en la física estadística del no equilibrio han establecido que no existe una relación a priori entre la reversibilidad lógica y termodinámica. Es posible que un proceso físico sea lógicamente reversible pero termodinámicamente irreversible. También es posible que un proceso físico sea lógicamente irreversible pero termodinámicamente reversible. En el mejor de los casos, los beneficios de implementar un cálculo con un sistema lógicamente reversible tienen matices.

En 2016, investigadores de la Universidad de Perugia afirmaron haber demostrado una violación del principio de Landauer. Sin embargo, según Laszlo Kish (2016), sus resultados no son válidos porque "descuidan la fuente dominante de disipación de energía, es decir, la energía de carga de la capacitancia del electrodo de entrada".