مبدأ لانداور

مبدأ لانداور هو مبدأ فيزيائي يتعلق بالحد الأدنى النظري لاستهلاك الطاقة في الحوسبة . وينص على أن أي تغيير غير قابل للعكس في المعلومات المخزنة في الحاسوب، مثل دمج مسارين حسابيين، يُبدد كمية ضئيلة من الحرارة إلى محيطه. ^{[ 1 ]} ويُفترض أن استهلاك الطاقة دون هذا الحد الأدنى يتطلب تطوير الحوسبة العكسية .

تم اقتراح هذا المبدأ لأول مرة من قبل رولف لانداور في عام 1961.

ينص مبدأ لانداور على أن الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لمحو بت واحد من المعلومات يتناسب طرديًا مع درجة حرارة تشغيل النظام. وبالتحديد، تُعطى الطاقة اللازمة لهذه المهمة الحسابية بالمعادلة التالية:

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

أين${\displaystyle k_{\text{B}}}$هو ثابت بولتزمان و${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة المطلقة . ^{[ 2 ]} عند درجة حرارة الغرفة ، يمثل حد لانداور طاقة تقارب 0.018 إلكترون فولت (2.9 × 10⁻²¹ ^جول ) . اعتبارًا من عام 2012  تستهلك الحواسيب الحديثة حوالي مليار ضعف من الطاقة لكل عملية. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

اقترح رولف لانداور هذا المبدأ لأول مرة عام 1961 أثناء عمله في شركة آي بي إم . ^{[ 5 ]} وقد برر لانداور وحدد حدودًا مهمة لتخمين سابق لجون فون نيومان . ويُطلق على هذا التحسين أحيانًا اسم حد لانداور.

في عامي 2008 و2009، أظهر الباحثون أن مبدأ لانداور يمكن اشتقاقه من القانون الثاني للديناميكا الحرارية وتغير الإنتروبيا المرتبط باكتساب المعلومات، مما أدى إلى تطوير الديناميكا الحرارية للأنظمة الكمومية والكلاسيكية التي يتم التحكم فيها بالتغذية الراجعة. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

في عام 2011، تم تعميم المبدأ لإظهار أنه على الرغم من أن محو المعلومات يتطلب زيادة في الإنتروبيا، إلا أن هذه الزيادة يمكن أن تحدث نظريًا دون أي تكلفة طاقة. ^{[ 8 ]} بدلاً من ذلك، يمكن احتساب التكلفة في كمية محفوظة أخرى ، مثل الزخم الزاوي .

في مقال نُشر عام 2012 في مجلة Nature ، وصف فريق من الفيزيائيين من المدرسة العليا للأساتذة في ليون وجامعة أوغسبورغ وجامعة كايزرسلاوترن أنهم قاموا لأول مرة بقياس كمية ضئيلة من الحرارة المنبعثة عند مسح بت واحد من البيانات. ^{[ 9 ]}

في عام 2014، اختبرت التجارب الفيزيائية مبدأ لانداور وأكدت تنبؤاته. ^{[ 10 ]}

في عام 2016، استخدم الباحثون مسبارًا ليزريًا لقياس مقدار الطاقة المبددة الناتجة عن ^{تحويل بت} نانومغناطيسي من حالة الإيقاف إلى حالة التشغيل. تطلب تحويل البت حوالي 0.026 إلكترون فولت (4.2 × 10⁻²¹ جول) عند 300 كلفن، وهو ما يزيد بنسبة 44% فقط عن الحد الأدنى لـ Landauer. ^{[ 11 ]}  

نُشرت مقالة عام 2018 في مجلة Nature Physics تتناول عملية محو لاندور التي أُجريت عند درجات حرارة منخفضة للغاية ( T = 1 كلفن) على مصفوفة من المغناطيسات الجزيئية الكمومية ذات اللف المغزلي العالي ( S = 10) . صُممت المصفوفة لتعمل كمسجل للفّ المغزلي، حيث يُشفّر كل مغناطيس نانوي بتًا واحدًا من المعلومات. ^{[ 12 ]} وقد أرست هذه التجربة الأساس لتوسيع نطاق تطبيق مبدأ لاندور ليشمل عالم الكم. وبفضل الديناميكيات السريعة و"القصور الذاتي" المنخفض للفّات المغزلية المفردة المستخدمة في التجربة، أظهر الباحثون أيضًا كيف يمكن إجراء عملية المحو بأقل تكلفة ديناميكية حرارية ممكنة - وهي التكلفة التي يفرضها مبدأ لاندور - وبسرعة عالية. ^{[ 12 ] [ 1 ]}

يُعتبر هذا المبدأ قانونًا فيزيائيًا مقبولًا على نطاق واسع ، إلا أنه وُوجه بانتقادات لاستخدامه الاستدلال الدائري والافتراضات الخاطئة. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} وقد دافع آخرون ^{[ 1 ] [ 17 ] [ 18 ]} عن هذا المبدأ، كما بيّن كلٌ من ساغاوا وأويدا (2008) ^{[ 6 ]} وكاو وفيتو (2009) ^{[ 7 ]} أن مبدأ لانداور هو نتيجة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية وانخفاض الإنتروبيا المرتبط باكتساب المعلومات.

من جهة أخرى، أثبتت التطورات الحديثة في الفيزياء الإحصائية غير المتوازنة أنه لا توجد علاقة مسبقة بين الانعكاسية المنطقية والانعكاسية الديناميكية الحرارية. ^{[ 19 ]} من الممكن أن تكون عملية فيزيائية قابلة للانعكاس منطقيًا ولكنها غير قابلة للانعكاس ديناميكيًا حراريًا. ومن الممكن أيضًا أن تكون عملية فيزيائية غير قابلة للانعكاس منطقيًا ولكنها قابلة للانعكاس ديناميكيًا حراريًا. في أحسن الأحوال، تكون فوائد تنفيذ عملية حسابية باستخدام نظام قابل للانعكاس منطقيًا دقيقة ومعقدة. ^{[ 20 ]}

• حد السرعة الكمومية
• حد بريمرمان
• مقيد ببيكنشتاين
• تعقيد كولموغوروف
• الإنتروبيا في الديناميكا الحرارية ونظرية المعلومات
• نظرية المعلومات
• مساواة جارزينسكي
• حدود الحساب
• أطروحة العقل الممتد
• شيطان ماكسويل
• قانون كومي
• نظرية عدم الحذف

• بروكوبينكو، ميخائيل؛ ليزير، جوزيف ت. (2014)، "إنتروبيا النقل والحدود العابرة للحساب"، التقارير العلمية ، 4 (1): 5394، Bibcode : 2014NatSR...4.5394P ، doi : 10.1038/srep05394 ، PMC 4066251 ، PMID 24953547  

• نقاش عام حول صحة مبدأ لانداور (مؤتمر المواضيع الساخنة في المعلوماتية الفيزيائية، 12 نوفمبر 2013)
• مقال تمهيدي حول مبدأ لانداور والحوسبة العكسية
• ماروني، OJE " معالجة المعلومات والإنتروبيا الديناميكية الحرارية " موسوعة ستانفورد للفلسفة.
• موقع Eurekalert.org: "الذاكرة المغناطيسية والمنطق قد يحققان كفاءة طاقة فائقة" ، 1 يوليو 2011