ランダウアーの原理

ランダウアーの原理は、計算のエネルギー消費の理論上の下限に関する物理原理です。この原理は、 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化が、周囲に最小限の熱を放散すると主張しています。^{[ 1 ]}この下限を下回るエネルギー消費を実現するには、可逆計算の開発が必要になると仮説が立てられています。

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唱された。

ランダウアーの原理によれば、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します。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。

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

どこ${\displaystyle k_{\text{B}}}$はボルツマン定数であり、${\displaystyle T}$^は絶対温度です。^{[ 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。2012年現在  現代のコンピュータは、1回の操作で約10億倍のエネルギーを消費します。^{[ 3 ] [ 4 ]}

ロルフ・ランダウアーは、 IBMで働いていた1961年にこの原理を初めて提唱した。^{[ 5 ]}彼は、ジョン・フォン・ノイマンによる以前の予想を正当化し、重要な限界を示した。この改良は、ランダウアー限界、またはランダウアー限界と呼ばれることもある。

2008年と2009年に、研究者たちはランダウアーの原理が熱力学第二法則と情報利得に伴うエントロピー変化から導き出せることを示し、量子および古典的なフィードバック制御システムの熱力学を発展させた。 ^{[ 6 ] [ 7 ]}

2011年に、この原理は一般化され、情報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取ることができる。

2012年にNatureに掲載された論文で、リヨン高等師範学校、アウグスブルク大学、カイザースラウテルン大学の物理学者チームは、個々のデータ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た。^{[ 9 ]}

2014年に物理実験によってランダウアーの原理が検証され、その予測が確認された。^{[ 10 ]}

2016年、研究者たちはレーザープローブを用いて、ナノ磁性ビットがオフからオンに切り替わったときに発生す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、300 Kで約0.026 eV（4.2 × 10 ⁻²¹ J）が必要であり、これはランダウアー最小値よりわずか44%高い値である。^{[ 11 ]}  

2018 年にNature Physicsに掲載された論文では、極低温( T = 1 K)で高スピン( S = 10) 量子分子磁石のアレイに対してランダウアー消去が行われたことが紹介されている。このアレイは、各ナノ磁石が 1 ビットの情報を符号化するスピンレジスタとして機能するように作られている。^{[ 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いた。実験で使用された単一スピンの高速なダイナミクスと低い「慣性」により、研究者らは、消去操作をランダウアー原理によって課される可能な限り低い熱力学的コストで高速に実行できることも示した。^{[ 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、循環論法や誤った仮定を用いているとして異議を唱えられてきた。[13][14][15][16} ]^一方、この原理^{を擁護する者もおり、佐川と上田（2008 ） [ 6} ] ^、曹と^{フェイト（2009}）^{[ 7 ]は、}ランダウアーの原理は熱力学第二法則と情報獲得に伴うエントロピー減少の結果であることを示した。

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先験的な関係はないことが明らかになった。^{[ 19 ]}物理的プロセスが論理的に可逆であっても熱力学的に不可逆である可能性もある。また、物理的プロセスが論理的に不可逆であっても熱力学的に可逆である可能性もある。せいぜい、論理的に可逆なシステムで計算を実行することの利点は微妙なものである。^{[ 20 ]}

• 量子速度限界
• ブレマーマンの限界
• ベッケンシュタインは縛られている
• コルモゴロフ複雑性
• 熱力学と情報理論におけるエントロピー
• 情報理論
• ヤルジンスキーの等式
• 計算の限界
• 拡張された心の理論
• マックスウェルの悪魔
• クーミーの法則
• 削除不可定理

• Prokopenko, Mikhail; Lizier, Joseph T. (2014)、「伝達エントロピーと計算の過渡的限界」、Scientific Reports、4 (1): 5394、Bibcode : 2014NatSR...4.5394P、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（2013年11月12日開催の「物理情報学におけるホットトピック」会議にて）
• ランダウアーの原理と可逆計算に関する入門記事
• マロニー、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：「磁気メモリと論理回路は究極のエネルギー効率を実現する可能性を秘めている」、2011年7月1日