Principio de Landauer

El principio de Landauer es un principio físico que se refiere a un límite teórico inferior del consumo de energía en la computación . Sostiene que un cambio irreversible en la información almacenada en una computadora, como la fusión de dos rutas de cálculo, disipa una cantidad mínima de calor a su entorno. ^{[ 1 ]} Se plantea la hipótesis de que un consumo de energía inferior a este límite requeriría el desarrollo de la computación reversible .

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

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

${\displaystyle E\geq k_{\text{B}}T\ln 2,}$

dónde${\displaystyle k_{\text{B}}}$es la constante de Boltzmann y${\displaystyle T}$es la temperatura absoluta . ^{[ 2 ]} A temperatura ambiente , el límite de Landauer representa una energía de aproximadamente 0,018 eV (2,9 × 10 ⁻²¹ J) . A partir de 2012  , las computadoras modernas utilizan aproximadamente mil millones de veces más energía por operación. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

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 . Este refinamiento se conoce a veces como 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 a la ganancia de información, desarrollando la termodinámica de los sistemas de control por retroalimentación cuánticos y clásicos. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

En 2011, el principio se generalizó para demostrar 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 Nature en 2012 , 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 liberada cuando se borra un bit de datos individual. ^{[ 9 ]}

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

En 2016, investigadores utilizaron una sonda láser para medir la cantidad de energía disipada cuando un bit nanomagnético cambiaba de estado (apagado a encendido). Cambiar el estado del bit requería aproximadamente 0,026 eV (4,2 × 10⁻²¹ J) a ³⁰⁰ K, lo que representa solo un 44 % por encima del mínimo de Landauer. ^{[ 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 rápida dinámica y la baja "inercia" de los espines individuales utilizados en el experimento, los investigadores también demostraron cómo se puede llevar a cabo una operación de borrado al menor costo termodinámico posible —el impuesto por el principio de Landauer— y a alta velocidad. ^{[ 12 ] [ 1 ]}

El principio es ampliamente aceptado como ley física , pero ha sido cuestionado por utilizar razonamiento circular y supuestos erróneos. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} Otros ^{[ 1 ] [ 17 ] [ 18 ]} han defendido el principio, y Sagawa y Ueda (2008) ^{[ 6 ]} y Cao y Feito (2009) ^{[ 7 ]} 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 física estadística de no equilibrio han establecido que no existe una relación a priori entre la reversibilidad lógica y la termodinámica. ^{[ 19 ]} 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 complejos. ^{[ 20 ]}

• Límite de velocidad cuántica
• Límite de Bremermann
• Bekenstein estaba atado
• complejidad de Kolmogorov
• Entropía en termodinámica y teoría de la información.
• teoría de la información
• Igualdad de Jarzynski
• Límites de la computación
• Tesis sobre la mente extendida
• El demonio de Maxwell
• Ley de Koomey
• Teorema de no eliminación

• Prokopenko, Mikhail; Lizier, Joseph T. (2014), "Entropía de transferencia y límites transitorios de la computación", Scientific Reports , 4 (1): 5394, Bibcode : 2014NatSR...4.5394P , doi : 10.1038/srep05394 , PMC 4066251 , PMID 24953547  

• Debate público sobre la validez del principio de Landauer (conferencia Temas candentes en informática física, 12 de noviembre de 2013).
• Artículo introductorio sobre el principio de Landauer y la computación reversible.
• Maroney, OJE " Procesamiento de la información y entropía termodinámica " La enciclopedia de filosofía de Stanford.
• Eurekalert.org: "La memoria magnética y la lógica podrían lograr la máxima eficiencia energética" , 1 de julio de 2011