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Principio de Landauer

El principio de Landauer es un principio físico que se refiere al límite teórico inferior del consumo de energía de los cálculos . Sostiene que un cambio irreversible en la información almacenada en un ordenador, como la fusión de dos rutas de cálculo, 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 está funcionando el sistema. En concreto, 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 el principio en 1961 mientras trabajaba en IBM . [5] Justificó y estableció límites importantes para una conjetura anterior de John von Neumann . Por este motivo, a veces se lo denomina simplemente límite de Landauer.

En 2008 y 2009, los investigadores demostraron que el principio de Landauer puede derivarse de la segunda ley de la termodinámica y del cambio de entropía asociado con la ganancia de información, desarrollando la termodinámica de los sistemas controlados por retroalimentación cuántica y clásica. [6] [7]

En 2011, el principio se generalizó para mostrar que, si bien el borrado de información requiere un aumento de la entropía, este aumento podría ocurrir teóricamente sin costo energético. [8] En cambio, el costo puede tomarse en otra cantidad conservada , como el momento angular .

En un artículo publicado en 2012 en Nature , un equipo de físicos de la Escuela Normal Superior de Lyon , la Universidad de Augsburgo y la Universidad de Kaiserslautern describió que por primera vez habían medido la pequeña cantidad de calor que se libera cuando se borra un bit individual de datos. [9]

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

En 2016, los investigadores utilizaron una sonda láser para medir la cantidad de energía disipada cuando un bit nanomagnético pasaba de apagado a encendido. Para cambiar el bit se necesitaban 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 matriz 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 solo bit de información. [12] El experimento ha sentado las bases para la extensión de la validez del principio de Landauer al ámbito cuántico. Debido a la dinámica rápida y la baja "inercia" de los espines individuales utilizados en el experimento, los investigadores también demostraron cómo se puede realizar una operación de borrado con el menor costo 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, en particular 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 otra parte, los recientes avances en física estadística del no equilibrio han establecido que no existe una relación previa 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 son matizados. [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".

Véase 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 : physics/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: el principio de borrado de Landauer y la teoría de la información" (PDF) . Física contemporánea . 42 (1): 25–60. arXiv : quant-ph/0103108 . Bibcode :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 nanomagnéticas se acercan al límite de bajo consumo". bloomfield Knoble . 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". IEEE Spectrum . Consultado el 5 de mayo de 2013 .
  5. ^ Rolf Landauer (1961), "Irreversibilidad y generación de calor en el proceso de computación" (PDF) , IBM Journal of Research and Development , 5 (3): 183–191, doi :10.1147/rd.53.0183 , consultado el 18 de febrero de 2015.
  6. ^ ab Sagawa, Takahiro; Ueda, Masahito (26 de febrero de 2008). "Segunda ley de la termodinámica con control de retroalimentación cuántica discreta". Physical Review Letters . 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". Physical Review 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 un 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 Bérut; 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/nature10872, 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.113.190601, 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 sobre bits de memoria nanomagnética". Science Advances . 2 (3): e1501492. Bibcode :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). "Logic and Entropy [preprint]". 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 del 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 Bibliográfico :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 Bibliográfico :2011SHPMP..42..184N. doi :10.1016/j.shpsb.2011.05.002 . Consultado el 20 de diciembre de 2023 .
  16. ^ Ladyman, James; Presnell, Stuart; Short, Anthony J.; Groisman, Berry (marzo de 2007). "La conexión entre la 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 Bibliográfico :2007SHPMP..38...58L. doi :10.1016/j.shpsb.2006.03.007 . Consultado el 20 de diciembre de 2023 .
  17. ^ Jordan, Andrew; Manikandan, Sreenath (12 de diciembre de 2019). "Con Faldas y a lo Loco". Inferencia: Revista Internacional de Ciencias . 5 (1). doi :10.37282/991819.19.82. S2CID  241470079.
  18. ^ Takahiro Sagawa (2014), "Revisión de reversibilidades termodinámicas y lógicas", 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 informático refuta la famosa afirmación de que 'la información es física'". m.phys.org .
  21. ^ Laszlo Bela Kish (2016). "Comentarios sobre 'Puerta lógica irreversible microelectromecánica sub-kBT'". Fluctuation and Noise Letters . 14 (4): 1620001–1620194. arXiv : 1606.09493 . Código Bibliográfico :2016FNL....1520001K. doi :10.1142/S0219477516200017. S2CID  12110986 . Consultado el 8 de marzo de 2020 .

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