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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. [1]

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 funciona el sistema. Específicamente, la energía necesaria para esta tarea computacional viene dada por

donde es la constante de Boltzmann y es la temperatura en Kelvin . [2] 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. [3] [4]

Historia

Rolf Landauer propuso por primera vez este principio en 1961, mientras trabajaba en IBM . [5] 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. [6] [7]

En 2011, el principio se generalizó para mostrar que, si bien el borrado de información requiere un aumento de entropía, este aumento, en teoría, podría ocurrir sin costo energético. [8] 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 describió que por primera vez habían medido la pequeña cantidad de calor liberado cuando un bit de datos individual se analiza. borrado. [9]

En 2014, experimentos físicos probaron el principio de Landauer y confirmaron sus predicciones. [10]

En 2016, los investigadores utilizaron una sonda láser para medir la cantidad de energía disipada que se producía cuando un bit nanomagnético pasaba de apagado a encendido. Girar la broca requirió 26 milielectronvoltios (4,2 zeptojulios ). [11]

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 giro ( S = 10) . La matriz está diseñada para actuar como un registro de espín donde cada nanoimán codifica un único bit de información. [12] 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. . [12] [1]

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) [13] y Norton (2004, [ 14] 2011 [15] ), y defendido por Bennett (2003), [1] Ladyman et al. (2007), [16] y por Jordan y Manikandan (2019). [17] 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. [6] [7]

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. [18] 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. [19]

En 2016, investigadores de la Universidad de Perugia afirmaron haber demostrado una violación del principio de Landauer. [20] Sin embargo, según Laszlo Kish (2016), [21] 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".

Ver también

Referencias

  1. ^ abc Charles H. Bennett (2003), "Notas sobre el principio de Landauer, la computación reversible y el demonio de Maxwell" (PDF) , Estudios de historia y filosofía de la física moderna , 34 (3): 501–510, arXiv : física/0210005 , Bibcode :2003SHPMP..34..501B, doi :10.1016/S1355-2198(03)00039-X, S2CID  9648186 , consultado el 18 de febrero de 2015.
  2. ^ Vitelli, MB; Plenio, V. (2001). "La física del olvido: principio de borrado de Landauer y teoría de la información" (PDF) . Física Contemporánea . 42 (1): 25–60. arXiv : quant-ph/0103108 . Código Bib : 2001ConPh..42...25P. doi :10.1080/00107510010018916. eISSN  1366-5812. hdl :10044/1/435. ISSN  0010-7514. S2CID  9092795.
  3. ^ Thomas J. Thompson. "Las memorias de nanoimanes se acercan al límite de baja potencia". perilla de Bloomfield . Archivado desde el original el 19 de diciembre de 2014 . Consultado el 5 de mayo de 2013 .
  4. ^ Samuel K. Moore (14 de marzo de 2012). "Límite de Landauer demostrado". Espectro IEEE . Consultado el 5 de mayo de 2013 .
  5. ^ Rolf Landauer (1961), "Irreversibilidad y generación de calor en el proceso informático" (PDF) , IBM Journal of Research and Development , 5 (3): 183–191, doi :10.1147/rd.53.0183 , consultado el 2 de febrero de 2015. 18.
  6. ^ ab Sagawa, Takahiro; Ueda, Masahito (26 de febrero de 2008). "Segunda ley de la termodinámica con control de retroalimentación cuántica discreta". Cartas de revisión física . 100 (8): 080403. arXiv : 0710.0956 . Código bibliográfico : 2008PhRvL.100h0403S. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.080403. PMID  18352605. S2CID  41799543.
  7. ^ ab Cao, FJ; Feito, M. (10 de abril de 2009). "Termodinámica de sistemas controlados por retroalimentación". Revisión física E. 79 (4): 041118. arXiv : 0805.4824 . Código bibliográfico : 2009PhRvE..79d1118C. doi : 10.1103/PhysRevE.79.041118. PMID  19518184. S2CID  30188109.
  8. ^ Joan Vaccaro; Stephen Barnett (8 de junio de 2011), "Borrado de información sin coste energético", Proc. R. Soc. A , 467 (2130): 1770–1778, arXiv : 1004.5330 , Bibcode : 2011RSPSA.467.1770V, doi : 10.1098/rspa.2010.0577, S2CID  11768197.
  9. ^ Antoine Berut; Artak Arakelyan; Artyom Petrosyan; Sergio Ciliberto; Raoul Dillenschneider; Eric Lutz (8 de marzo de 2012), "Verificación experimental del principio de Landauer que vincula la información y la termodinámica" (PDF) , Nature , 483 (7388): 187–190, arXiv : 1503.06537 , Bibcode :2012Natur.483..187B, doi :10.1038 /naturaleza10872, PMID  22398556, S2CID  9415026.
  10. ^ Yonggun Jun; Momčilo Gavrilov; John Bechhoefer (4 de noviembre de 2014), "Prueba de alta precisión del principio de Landauer en una trampa de retroalimentación", Physical Review Letters , 113 (19): 190601, arXiv : 1408.5089 , Bibcode : 2014PhRvL.113s0601J, doi : 10.1103/PhysRevLett.113.19060 1 , PMID  25415891, S2CID  10164946.
  11. ^ Hong, Jeongmin; Lambson, Brian; Dhuey, Scott; Bokor, Jeffrey (1 de marzo de 2016). "Prueba experimental del principio de Landauer en operaciones de un solo bit en bits de memoria nanomagnética". Avances científicos . 2 (3): e1501492. Código Bib : 2016SciA....2E1492H. doi :10.1126/sciadv.1501492. ISSN  2375-2548. PMC 4795654 . PMID  26998519. .
  12. ^ ab Rocco Gaudenzi; Enrique Burzuri; Satoru Maegawa; Herré van der Zant; Fernando Luis (19 de marzo de 2018), "Borrado cuántico de Landauer con un nanoimán molecular", Nature Physics , 14 (6): 565–568, Bibcode :2018NatPh..14..565G, doi :10.1038/s41567-018-0070- 7, hdl : 10261/181265 , S2CID  125321195.
  13. ^ Shenker, Orly R. (junio de 2000). "Lógica y entropía [preimpresión]". Archivo PhilSci . Archivado desde el original el 15 de noviembre de 2023 . Consultado el 20 de diciembre de 2023 .
  14. ^ Norton, John D. (junio de 2005). "Devoradores de loto: el principio de Landauer y el regreso del demonio de Maxwell". Estudios de Historia y Filosofía de la Ciencia Parte B: Estudios de Historia y Filosofía de la Física Moderna . 36 (2): 375–411. Código Bib : 2005SHPMP..36..375N. doi :10.1016/j.shpsb.2004.12.002. S2CID  21104635. Archivado desde el original el 5 de junio de 2023 . Consultado el 20 de diciembre de 2023 .
  15. ^ Norton, John D. (agosto de 2011). «Esperando a Landauer» (PDF) . Estudios de Historia y Filosofía de la Ciencia Parte B: Estudios de Historia y Filosofía de la Física Moderna . 42 (3): 184-198. Código Bib : 2011SHPMP..42..184N. doi : 10.1016/j.shpsb.2011.05.002 . Consultado el 20 de diciembre de 2023 .
  16. ^ Señora, James; Presnell, Estuardo; Breve, Anthony J.; Groisman, Berry (marzo de 2007). "La conexión entre irreversibilidad lógica y termodinámica". Estudios de Historia y Filosofía de la Ciencia Parte B: Estudios de Historia y Filosofía de la Física Moderna . 38 (1): 58–79. Código Bib : 2007SHPMP..38...58L. doi : 10.1016/j.shpsb.2006.03.007 . Consultado el 20 de diciembre de 2023 .
  17. ^ Jordania, Andrés; Manikandan, Sreenath (12 de diciembre de 2019). "A algunos les gusta lo picante". Inferencia: Revista Internacional de Ciencia . 5 (1). doi :10.37282/991819.19.82. S2CID  241470079.
  18. ^ Takahiro Sagawa (2014), "Reversibilidades lógicas y termodinámicas revisadas", Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment , 2014 (3): 03025, arXiv : 1311.1886 , Bibcode : 2014JSMTE..03..025S, doi : 10.1088/1742 -5468/2014/03/P03025, S2CID  119247579.
  19. ^ David H. Wolpert (2019), "Termodinámica estocástica de la computación", Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical , 52 (19): 193001, arXiv : 1905.05669 , Bibcode :2019JPhA...52s3001W, doi :10.1088/1751- 8121/ab0850, S2CID  126715753.
  20. ^ "Un estudio de informática refuta la famosa afirmación de que 'la información es física'". m.phys.org .
  21. ^ Lászlo Bela Kish (2016). "Comentarios sobre 'Puerta lógica irreversible microelectromecánica Sub-kBT'". Letras de Fluctuación y Ruido . 14 (4): 1620001–1620194. arXiv : 1606.09493 . Código Bib : 2016FNL....1520001K. doi :10.1142/S0219477516200017. S2CID  12110986 . Consultado el 8 de marzo de 2020 .

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