可逆计算

可逆计算是计算过程在某种程度上是时间可逆的任何计算模型。 在使用从抽象机的一个状态到另一个状态的确定性转换的计算模型中，可逆性的必要条件是从状态到它们的后继者的映射关系必须是一对一的。 可逆计算是非常规计算的一种形式。

由于量子力学的幺正性，量子电路是可逆的，只要它们不使它们运行的量子态崩溃。

有两种主要的、密切相关的可逆性类型对此特别感兴趣：物理可逆性和逻辑可逆性。

如果一个过程不导致物理熵增加，则称该过程是物理可逆的； 它是等熵的。 有一种电路设计风格完美地展示了这种特性，称为电荷恢复逻辑、绝热电路或绝热计算（请参阅绝热过程）。 尽管在实践中没有非平稳物理过程可以完全物理可逆或等熵，但在与未知外部环境相互作用充分隔离的系统中，当物理定律时，我们可以接近完美可逆性的接近程度没有已知限制 描述系统演化的精确已知。

研究旨在实现可逆计算的技术的一个动机是，它们提供了被预测为提高计算机计算能效的xxx潜在方法，超出了 kT ln(2) 能量耗散的基本冯诺依曼-朗道尔极限 不可逆位操作。 尽管 Landauer 极限比 2000 年代计算机的能耗低数百万倍，在 2010 年代低数千倍，但可逆计算的支持者认为这主要归因于架构开销，这有效地放大了 Landauer 的影响 实际电路设计中的限制，因此如果不使用可逆计算原理，实际技术可能难以远远超过当前的能效水平。

正如 Rolf Landauer 在 IBM 工作时首先提出的那样，为了使计算过程在物理上可逆，它也必须在逻辑上可逆。 Landauer 的原则是严格有效的观察，即对 n 位已知信息的不经意擦除必须始终产生 nkT ln(2) 的热力学熵成本。 如果将旧计算状态映射到新计算状态的转换函数是一对一函数，则称离散的确定性计算过程在逻辑上是可逆的； 即输出逻辑状态xxx地确定计算操作的输入逻辑状态。

对于非确定性（在概率或随机意义上）的计算过程，新旧状态之间的关系不是单值函数，获得物理可逆性所需的要求变得稍微弱一些，即大小 随着计算的进行，给定的可能初始计算状态集合平均不会减少。

Landauer 的原理（实际上，热力学第二定律本身）也可以理解为物理学潜在可逆性的直接逻辑结果，这反映在力学的一般哈密顿公式中，以及统一时间 – 更具体地说，是量子力学的演化算子。

因此，可逆计算的实施相当于学习如何表征和控制机制的物理动力学，以如此精确地执行所需的计算操作，以便我们可以在每个逻辑操作中积累关于机制的完整物理状态的不确定性总量可以忽略不计 即执行。

换句话说，我们需要精确跟踪机器内执行计算操作所涉及的活跃能量的状态，并以这样一种方式设计机器，即大部分能量以有组织的形式回收，可以 被重新用于后续操作，而不是被允许以热量的形式消散。

尽管实现这一目标对超精密新物理计算机制的设计、制造和表征提出了重大挑战，但目前没有根本理由认为这一目标最终无法实现，从而使我们有朝一日能够制造出能够 对于它们在内部执行的每个有用的逻辑操作，产生的物理熵少于 1 位（并且消耗的能量少于 kT ln 2 的热量）。