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.

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

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

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]}${\displaystyle k_{\text{B}}}$${\estilo de visualización T}$

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]}

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".

• Límite de velocidad cuántica
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• Teoría de la información
• Igualdad de Jarzynski
• Límites de computación
• Tesis de 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 computación", Scientific Reports , 4 (1): 5394, Bibcode :2014NatSR...4E5394P, doi :10.1038/srep05394, PMC  4066251 , PMID  24953547

• Debate público sobre la validez del principio de Landauer (conferencia Hot Topics in Physical Informatics, 12 de noviembre de 2013)
• Artículo introductorio sobre el principio de Landauer y la computación reversible
• Maroney, OJE "Procesamiento de 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