¿Se ha anulado realmente el Límite Landauer? ¿Qué había de malo en el análisis original?

Question

Esta noticia , resumiendo los resultados de

M. López-Suárez et al. Sub- $k_B T$ puerta lógica microelectromecánica irreversible, Nature Commun. 7 , 12068 (2016) .

Afirma que

Demuestra claramente que no existe tal límite mínimo de energía y que una puerta lógicamente irreversible puede funcionar con un gasto de energía arbitrariamente pequeño. Simplemente, no es cierto que la reversibilidad lógica implique la irreversibilidad física, como escribió Landauer.

Los resultados de este experimento de los científicos del Laboratorio NiPS de la Universidad de Perugia se publican hoy en Nature Communications. Midieron la cantidad de energía disipada durante el funcionamiento de una puerta "OR" (que es claramente una puerta lógicamente irreversible) y mostraron que la operación lógica puede realizarse con un peaje de energía tan pequeño como el 5 por ciento del límite esperado de kBT ln2. La conclusión del artículo de Nature Communications es que no existe un límite fundamental y que la lógica reversible no es necesaria para que los ordenadores funcionen con un gasto energético nulo.

En primer lugar, ¿es esto real?

Si es así, ¿qué es lo que falla en el análisis de Landauer?

Answer 1

No estoy del todo seguro de estar entendiendo su afirmación, pero me arriesgaré a hacer un comentario de todos modos. Hay una pregunta obvia que se me ocurre y que no parece abordarse directamente en el documento.

Aquí está el ratio que muestra su sistema:

Se trata de un pequeño voladizo que puede ser tirado aproximadamente en la misma medida por dos electrodos, que son las dos entradas de la puerta, y cuando ambos electrodos están encendidos es tirado alrededor de 1,5 veces más. Entonces dicen que si se establece el umbral lógico digital justo por encima de la posición cuando no se tira, es una puerta OR.

Formalmente esto es cierto, pero en realidad no puedes decirle a tu circuito "este es el umbral, y debes considerar estas dos señales como idénticas". Tienes que tener algo más que realmente tome esas dos salidas diferentes y tenga la misma reacción ante cualquiera de ellas. Este es el paso que requeriría algún tipo de borrado y estaría sujeto al calentamiento de Landauer.

Por lo tanto, parece que si se intentara ampliar este tipo de puerta se acabaría con un dilema:

1. O bien se mantiene la condición de que muchos estados físicos se correspondan con un estado lógico, lo que parece que sería rápidamente inviable porque el rango de entradas que se aceptan como "1" tendría que crecer (en este caso, de forma aproximadamente lineal) con el número de bits. Para un microprocesador moderno, esto significaría aceptar una señal que variara en, digamos, 9 órdenes de magnitud.

2. O bien, en algún momento se consolidan todos los estados físicos correspondientes a un "1" lógico a la misma salida, y se paga el coste del calentamiento de Landauer para el borrado.

Por supuesto, esto no impide que este tipo de esquema digital reversible tenga algún tipo de aplicación especializada a menor escala. por no hablar de su utilidad para aclarar exactamente lo que el límite de Landauer realmente dice y no dice. Pero para un ordenador escalable, no estoy seguro de que las afirmaciones que hacen estén realmente justificadas.

Answer 2

Creo que estoy de acuerdo con el contenido de Respuesta de Cort Ammon .

Creo que el "error" del artículo es centrarse en la noción de energía necesaria para hacer funcionar la puerta. Estoy de acuerdo en que se puede hacer con una energía arbitrariamente baja, eso está muy claro.

Sin embargo, por lo que tengo entendido, no es de esto de lo que trata Landauer: es el hecho de que el estado "olvidado" de la puerta debe acabar de alguna manera codificado en el estado cuántico del sistema (porque las leyes que lo rigen son microscópicamente reversibles), aumentando así la entropía de este último lo que constituye el quid de la cuestión.

Entonces hay que introducir trabajo para expulsar este exceso de entropía del sistema y restaurar el macroestado original del sistema. Si se intentara realizar el "truco" del documento repetidamente, parecería que se derrota el principio de Landauer a corto plazo. Pero el hardware del sistema se iría termalizando a medida que se repitiera el experimento y el ordenador dejaría de funcionar.

Answer 3

Edición: mi primera respuesta era errónea.

Lo que parece hacer este documento es crear un elemento reversible que se trata lógicamente como un OR irreversible. Como el elemento en sí es reversible, puede evitar fácilmente el principio de Landauer.

Por lo que sé, esto se sabe desde hace mucho tiempo: se puede tener un circuito combinado de lógica reversible, y sólo se paga el coste energético de las mediciones realizadas al final del proceso (que deben enclavarse, por lo que están sujetas al principio de Landauer).