Principio de Landauer

El principio de Landauer  es un principio formulado en 1961 por Rolf Landauer ( IBM ) [1] y que establece que en cualquier sistema informático, independientemente de su implementación física, la pérdida de 1 bit de información libera calor en la cantidad de al menos W julios :

donde k B  es la constante de Boltzmann , T  es la temperatura absoluta del sistema informático en grados Kelvin .

La expresión de Shannon-von Neumann-Landauer ( Shannon-von Neumann-Landauer, SNL ) es el bit de energía mínima E requerido para procesar 1 bit (o la altura de barrera mínima requerida para separar dos estados de electrones E SNL ) [2] :

A T = 300 K, la energía E SNL ≈ 0,017 eV ≈ 2,7×10 −21 J.

A pesar de que el aumento de entropía al borrar un solo bit es extremadamente pequeño, los microcircuitos modernos tienen miles de millones de transistores, que cambian a frecuencias de hasta varios gigahercios (miles de millones de veces por segundo), lo que aumenta la cantidad de calor que se genera al borrar la información. a valores medibles.

A principios del siglo XXI, las computadoras disipaban alrededor de un millón de veces más calor al procesar un solo bit de lo previsto por el principio. Sin embargo, a principios de la década de 2010, la diferencia se había reducido a unos pocos miles [3] [4] y se predice un mayor acercamiento al límite de Landauer en las próximas décadas.

Las limitaciones impuestas por el principio de Landauer se pueden eludir implementando cálculos reversibles , lo que aumenta los requisitos de memoria y el número de cálculos. A veces también se sugiere que los cálculos reversibles serán más lentos.

Verificación adicional

A pesar de que el principio de Landauer se reconoce como una ley física, aún requiere verificación experimental en varios niveles.

La universalidad del principio fue criticada en los trabajos de Earman y Norton (1998), y luego Schenker (2000) [5] y nuevamente por Norton (2004, 2011), [6] y defendida por P. Bennett (2003) y Dama (2007). [7]

En 2016, investigadores de la Universidad de Perugia afirmaron que pudieron demostrar una violación directa del principio de Landauer, [8] pero, según Lazlo Kisch, sus resultados son erróneos porque ignoran la principal fuente de disipación de energía, a saber, el energía de carga de la capacitancia del electrodo entrante. [9]

En 2018 se confirmó la validez del principio de Landauer a nivel cuántico, en el experimento se registró que cuando se borra la información cuántica de los qubits de una computadora cuántica también se libera calor. [diez]

En 2020, se demostró que los efectos cuánticos pueden provocar un aumento de la disipación de energía por encima del límite de Landauer en un factor de 30. [once]

Literatura

Notas

  1. ↑ C. H. Bennet y A. B. Fowler. Rolf W. Landauer 1927-1999.  Una memoria biográfica . Academia Nacional de Ciencias (2009). Consultado el 14 de enero de 2016. Archivado desde el original el 3 de marzo de 2016.
  2. ↑ Ruta Híbrida De CMOS a Nano y Electrónica Molecular . CF Cerofolini, D. Mascolo, publicado en Nanotecnología para materiales y dispositivos electrónicos, ISBN 978-0387-23349-9 , página 16-18
  3. ↑ Berut, Antoine, et al. « Verificación experimental del principio de Landauer que vincula información y termodinámica. Archivado el 28 de febrero de 2015 en Wayback Machine . » Nature 483.7388 (2012): 187-189: pdf . Archivado el 4 de noviembre de 2016 en Wayback Machine . « Desde una perspectiva tecnológica, la disipación de energía por operación lógica en los circuitos digitales basados ​​en silicio actuales se trata de un factor de 1000 mayor que el límite último de Landauer, pero se predice que lo alcanzará rápidamente en las próximas dos décadas »
  4. ↑ El calor, miles de veces mayor que el límite de Landauer, se libera durante el proceso de carga y descarga de los circuitos RC parásitos , que están formados por la capacitancia de las puertas y las uniones pn , y la resistencia de los conductores internos y los contactos óhmicos de los microcircuitos.
  5. ↑ Logic and Entropy Archivado el 2 de julio de 2010 en Wayback Machine Critique por Orly Shenker (2000)
  6. ↑ Eaters of the Lotus: Landauer's Principle and the Return of Maxwell's Demon Archivado el 8 de abril de 2019 en Wayback Machine , criticado por John Norton (abril de 2004)
  7. ↑ Ladyman et al. La conexión entre la irreversibilidad lógica y termodinámica Archivado el 8 de abril de 2019 en Wayback Machine , marzo de 2006, Defense of Principle.
  8. ↑ Un estudio informático refuta la famosa afirmación de que "la información es física" . Consultado el 8 de abril de 2019. Archivado desde el original el 21 de octubre de 2018.
  9. ↑ (PDF) Comentarios sobre "Puerta lógica irreversible microelectromecánica Sub-kBT  " . puerta de la investigación. Consultado el 7 de junio de 2019. Archivado desde el original el 2 de febrero de 2021.
  10. ↑ Dmitri Trunin. Los físicos han prometido a las computadoras cuánticas problemas de sobrecalentamiento . nplus1.ru. Consultado el 22 de mayo de 2019. Archivado desde el original el 31 de mayo de 2019.
  11. ↑ Harry JD Miller, Giacomo Guarnieri, Mark T. Mitchison y John Goold Las fluctuaciones cuánticas dificultan el borrado de información en tiempo finito cerca del límite de Landauer // Phys. Rvdo. Letón. 125, 15 de octubre de 2020 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.160602

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