ランダウアーの原理

ランダウアーの原理は、計算エネルギー消費の理論的な下限に関する物理原理である。これは、2つの計算パスをマージするなど、コンピュータに保存されている情報の不可逆的な変更によって、周囲に最小限の熱が放散されるというものである。^[1]

この原理は1961年にロルフ・ランダウアーによって初めて提案されました。

ランダウアーの原理は、1ビットの情報を消去するために必要な最小エネルギーは、システムが動作している温度に比例すると述べています。具体的には、この計算タスクに必要なエネルギーは次のように表されます。

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

ここではボルツマン定数、はケルビン温度です。^[2]室温では、ランダウアー限界は約0.018 eV（2.9 × 10 ⁻²¹  J）のエネルギーを表します。現代のコンピュータは1回の演算で約10億倍のエネルギーを使用します。^{[3] [4]}${\displaystyle k_{\text{B}}}$${\displaystyle T}$

ロルフ・ランダウアーは1961年にIBMで働いていたときに初めてこの原理を提案しました。^[5]彼はジョン・フォン・ノイマンによる以前の推測を正当化し、重要な制限を述べました。このため、これは単にランダウアー境界またはランダウアー限界と呼ばれることもあります。

2008年と2009年に研究者らは、ランダウアーの原理が熱力学の第二法則と情報利得に関連するエントロピー変化から導き出され、量子および古典的フィードバック制御システムの熱力学を発展させることができることを示しました。^{[6] [7]}

2011年にこの原理は一般化され、情報の消去にはエントロピーの増加が必要であるが、この増加は理論的にはエネルギーコストなしで起こり得ることが示された。^[8]代わりに、コストは角運動量などの別の保存量で考慮することができる。

2012年にネイチャー誌に掲載された論文では、リヨン高等師範学校、アウクスブルク大学、カイザースラウテルン大学の物理学者チームが、データの1ビットが消去される際に放出される微量の熱を初めて測定したと報告している。^[9]

2014年に物理実験でランダウアーの原理が検証され、その予測が確認されました。^[10]

2016年、研究者らはレーザープローブを使用して、ナノ磁性ビットがオフからオンに反転したときに生じるエネルギー散逸量を測定した。ビットを反転させるには26ミリ電子ボルト（4.2ゼプトジュール）が必要であった。^[11]

2018年にNature Physicsに掲載された記事では、高スピン（S = 10）量子分子磁石のアレイ上で極低温（T = 1 K）で実行されたランダウアー消去が紹介されています。アレイはスピンレジスタとして機能するように作られており、各ナノ磁石は1ビットの情報をエンコードします。^[12]この実験は、ランダウアー原理の有効性を量子領域に拡張するための基礎を築きました。実験で使用された単一スピンの高速ダイナミクスと低い「慣性」により、研究者は、ランダウアー原理によって課せられる可能な限り低い熱力学的コストで、高速で消去操作を実行する方法も示しました。^{[12] [1]}

この原理は物理法則として広く受け入れられているが、近年では循環論法や誤った仮定を使用しているとして、特に Earman and Norton (1998) 、続いて Shenker (2000) ^[13]や Norton (2004, ^[14] 2011 ^[15] ) によって異議が唱えられており、Bennett (2003) ^[1] 、 Ladyman et al. (2007) ^[16] 、 Jordan and Manikandan (2019) ^[17]によって擁護されている。Sagawa and Ueda (2008) および Cao and Feito (2009) は、ランダウアーの原理が熱力学の第二法則と情報ゲインに関連するエントロピー減少の結果であることを示している。^{[6] [7]}

一方、非平衡統計物理学の最近の進歩により、論理的可逆性と熱力学的可逆性の間には先験的な関係がないことが立証されました。^[18]物理プロセスは論理的には可逆的であるが、熱力学的には不可逆である可能性があります。また、物理プロセスは論理的には不可逆的であるが、熱力学的には可逆である可能性もあります。せいぜい、論理的に可逆なシステムで計算を実装することの利点は微妙なものです。^[19]

2016年、ペルージャ大学の研究者らは、ランダウアーの原理に違反することを証明したと主張した。^[20]しかし、ラズロ・キッシュ（2016）によると、^[21]彼らの研究結果は「エネルギー散逸の主な原因、すなわち入力電極の静電容量の充電エネルギーを無視している」ため無効である。

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• クーミーの法則
• 削除不可能定理

• プロコペンコ、ミハイル; リジエ、ジョセフ T. (2014)、「転送エントロピーと計算の過渡的限界」、サイエンティフィック レポート、4 (1): 5394、Bibcode :2014NatSR...4E5394P、doi :10.1038/srep05394、PMC  4066251、PMID  24953547

• ランダウアーの原理の妥当性に関する公開討論（物理情報学のホットトピック会議、2013 年 11 月 12 日）
• ランダウアーの原理と可逆コンピューティングに関する入門記事
• Maroney, OJE「情報処理と熱力学的エントロピー」スタンフォード哲学百科事典。
• Eurekalert.org: 「磁気メモリとロジックが究極のエネルギー効率を実現」、2011 年 7 月 1 日