Przeskocz do treści

Delta mi!

Aktualności (nie tylko) fizyczne

Fizyczne uwarunkowanie obliczeń

Piotr Zalewski

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: maj 2012
  • Publikacja elektroniczna: 28-04-2012

Każde (niekwantowe) obliczenie wymaga użycia serii nieodwracalnych operacji logicznych, w których dwa stany wejściowe dają jeden stan końcowy. Przykładem takiej operacji jest zerowanie komórki pamięci. W 1961 roku Rolf Landauer wykazał, że minimalna ilość ciepła, porównywalna z math (gdzie math jest stałą Boltzmana, a math temperaturą w skali bezwzględnej), jest do tego niezbędna [1]. Ograniczenie math jest obecnie nazywane granicą Landauera, która określa nieprzekraczalne fizyczne ograniczenie minimalnej ilości ciepła rozpraszanego podczas pojedynczej nieodwracalnej operacji logicznej dowolnego dwójkowego urządzenia.

Jednakże, pomimo zasadniczego znaczenia dla rzeczywistych implementacji obliczeń informatycznych, ta podstawowa zasada nie została, do niedawna[2], doświadczalnie sprawdzona. Głównym powodem były techniczne trudności eksperymentowania z pojedynczą komórką pamięci w tak niskim zakresie rozpraszanej energii, ale nie mniej istotne były wątpliwości co do poprawności oraz użyteczności ograniczenia. Przecież rozpraszanie energii w obecnie używanych krzemowych układach cyfrowych jest trzy rzędy wielkości ponad ograniczenie Landauera. Z drugiej strony jednak, osiągnięcie tego limitu jest spodziewane wraz z postępującą miniaturyzacją układów scalonych.

Doświadczalne potwierdzenie realności ograniczenia Landauera w przykładowym modelu jednobitowej pamięci zostało uzyskane[2] dla pojedynczej koloidalnej cząstki uwięzionej w podwójnej studni potencjału o regulowanych parametrach. Zostało wykazane, że średnia rozpraszana energia zmniejsza się wykładniczo z wydłużającym się czasem operacji, asymptotycznie zbiegając do granicy Landauera.


Literatura
[1]
R. Landauer, Irreversibility and heat generation in the computing process, IBM J. of Research and Development 5, 183–191 (lipiec 1961).
[2]
A. Bérut, A. Arakelyan, A. Petrosyan, S. Ciliberto, R. Dillenschneider & E. Lutz, Experimental verification of Landauer’s principle linking information and thermodynamics, Nature 483, 187–189 (8 marca 2012).