兰道尔原理

兰道尔原理是关于计算能耗理论下限的物理原理。 它认为任何逻辑上不可逆的信息操作，例如一个位的擦除或两个计算路径的合并，必须伴随着信息处理设备或其非信息承载自由度的相应熵增加 环境。

兰道尔原理的另一种表述方式是，如果观察者失去了有关物理系统的信息，就会产生热量，并且观察者失去了从该系统中提取有用功的能力。

原则上可以在不释放任何热量的情况下执行所谓的逻辑可逆计算，其中不会删除任何信息。 这引起了人们对可逆计算研究的极大兴趣。 事实上，如果没有可逆计算，每焦耳能量消耗的计算次数的增加最终必须停止。 如果库米定律继续成立，兰道尔原理所暗示的极限将在 2080 年左右达到。

在 20 °C（室温或 293.15 K）下，Landauer 极限代表大约 0.0175 eV 或 2.805 zJ 的能量。 从理论上讲，在 Landauer 极限下运行的室温计算机内存可以以每秒 10 亿比特 (1 Gbit/s) 的速度变化，而能量在内存介质中转化为热量的速度仅为 2.805 万亿分之一瓦 （也就是说，速率仅为 2.805 pJ/s）。 现代计算机每秒消耗数百万倍的能量。

Rolf Landauer 于 1961 年在 IBM 工作时首次提出该原理。 他证明了约翰·冯·诺依曼早期猜想的合理性并说明了重要的局限性。 出于这个原因，它有时被简单地称为 Landauer 界限或 Landauer 极限。

2008年和2009年，研究人员表明兰道尔原理可以从热力学第二定律和与信息增益相关的熵变中推导出来，发展了量子和经典反馈控制系统的热力学。

2011 年，该原理被推广表明，虽然信息擦除需要熵的增加，但理论上这种增加可以在没有能量成本的情况下发生。 相反，成本可以用另一个守恒量来计算，例如角动量。

在 2012 年发表在《自然》杂志上的一篇文章中，来自里昂高等师范学院、奥格斯堡大学和凯泽斯劳滕大学的一组物理学家描述说，他们首次测量了单个数据被传输时释放的微量热量。 擦除。

2014年，物理实验验证了兰道尔原理并证实了其预测。

2016 年，研究人员使用激光探针测量了纳米磁位从关闭到开启时产生的能量耗散量。 翻转钻头需要 26 毫电子伏特（4.2 兆焦耳）。

2018 年发表在《自然物理学》(Nature Physics) 上的一篇文章介绍了在低温 (T = 1 K) 下对高自旋 (S = 10) 量子分子磁体阵列进行的兰道尔擦除。 该阵列被用作自旋寄存器，其中每个纳米磁铁都对一位信息进行编码。 该实验为将朗道尔原理的有效性扩展到量子领域奠定了基础。 由于实验中使用的单自旋的快速动力学和低惯性，研究人员还展示了如何以尽可能低的热力学成本（由 Landauer 原理强加）和高速进行擦除操作。

兰道尔原理可以理解为热力学第二定律的一个简单的逻辑结果，该定律指出孤立系统的熵不能减少——连同热力学温度的定义。 因为，如果计算的可能逻辑状态的数量随着计算的进行而减少（逻辑不可逆性），这将构成熵的禁止减少，除非对应于每个逻辑状态的可能物理状态的数量同时增加 至少一个补偿量，使得可能的物理状态总数不小于原来的数量（即总熵没有减少）。

然而，与每个逻辑状态相对应的物理状态数量的增加意味着，对于跟踪系统物理状态而不是逻辑状态的观察者来说，可能的物理状态数量增加了； 换句话说，从这个观察者的角度来看，熵增加了。

有界物理系统的xxx熵是有限的。 （如果全息原理是正确的，那么具有有限表面积的物理系统具有有限的xxx熵；但是无论全息原理是否正确，量子场论都规定具有有限半径和能量的系统的熵是有限的。