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란다우어의 원리

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목차

1. 개요

란다우어의 원리는 정보를 지우는 데 필요한 최소 에너지에 대한 원리이다. 이 원리는 시스템의 온도에 따라 필요한 에너지의 양이 결정되며, 구체적으로 1비트의 정보를 지우는 데 k_\text{B} T \ln 2 이상의 에너지가 필요하다는 것을 나타낸다. 1961년 IBM의 롤프 란다우어가 처음 제안했으며, 열역학 제2법칙 및 정보 엔트로피 변화와 관련이 있다. 실험적으로 검증되었으며, 2012년에는 개별 데이터 비트 삭제 시 발생하는 열량을 최초로 측정했다. 란다우어의 원리는 널리 받아들여지지만, 순환 논법과 결함 있는 가정이라는 비판도 존재한다.

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란다우어의 원리
개요
이름란다우어 원리
로마자 표기Landaueo wonli
영어 이름Landauer's principle
분야물리학, 정보 이론
주요 내용
내용논리적으로 비가역적인 계산 조작은 열의 형태로 에너지를 소산시켜야 함
최소 에너지 소산kT ln 2
k볼츠만 상수
T절대 온도
중요성
중요성계산의 물리적 한계를 정의
관련 연구가역 컴퓨팅
맥스웰의 도깨비
인물
관련 인물로프 란다우어

2. 원리

란다우어의 원리는 정보를 1비트 지우는 데 필요한 최소 에너지가 시스템이 작동하는 온도의 함수로 주어진다고 명시한다. 구체적으로, 이 계산 작업에 필요한 에너지는 다음과 같다.

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

여기서 k_\text{B}는 볼츠만 상수이고 T는 켈빈 단위의 온도이다.[2] 상온에서 란다우어 한계는 대략 0.018eV의 에너지를 나타낸다. 2012년 기준으로, 현대 컴퓨터는 작업당 약 10억 배나 많은 에너지를 사용한다.[3][4]

3. 역사

IBM에서 근무하던 롤프 란다우어는 1961년에 이 원리를 처음 제안했다.[5] 그는 존 폰 노이만의 이전 추측에 대한 중요한 한계를 제시했다. 이러한 이유로 란다우어 경계 또는 란다우어 한계라고도 한다.

2008년과 2009년에 연구자들은 란다우어 원리가 열역학 제2법칙과 정보 획득에 따른 엔트로피 변화에서 파생될 수 있음을 보였다.[6][7]

2011년에는 정보 삭제가 엔트로피 증가를 필요로 하지만, 이 증가가 이론적으로 에너지 비용 없이 발생할 수 있음을 보여주기 위해 이 원리가 일반화되었다.[8] 대신, 이 비용은 각운동량과 같은 다른 보존량에서 발생할 수 있다.

2012년 ''네이처''에 발표된 기사에서 리옹 고등사범학교, 아우크스부르크 대학교, 카이저슬라우테른 대학교의 물리학자 팀은 개별 데이터 비트가 지워질 때 방출되는 미세한 열량을 처음으로 측정했다고 설명했다.[9]

2014년, 물리적 실험을 통해 란다우어 원리를 테스트하고 그 예측을 확인했다.[10]

2016년, 연구자들은 레이저 탐침을 사용하여 나노자석 비트가 꺼짐에서 켜짐으로 전환될 때 발생한 에너지 소모량을 측정했다. 비트를 뒤집는 데 300 K에서 약 0.026eV가 필요했는데, 이는 란다우어 최소값보다 44% 높은 수치이다.[11]

2018년 ''네이처 피직스''에 게재된 기사에서는 고스핀 (''S'' = 10) 양자 단분자 자석 배열에서 저온()에서 수행된 란다우어 삭제를 다루고 있다. 이 배열은 각 나노자석이 단일 비트의 정보를 인코딩하는 스핀 레지스터 역할을 하도록 만들어졌다.[12] 이 실험은 란다우어 원리의 유효성을 양자 영역으로 확장하기 위한 토대를 마련했다. 실험에 사용된 단일 스핀의 빠른 동역학과 낮은 "관성"으로 인해, 연구자들은 또한 삭제 작업을 란다우어 원칙에 의해 부과된 가장 낮은 가능한 열역학적 비용으로, 그리고 고속으로 수행할 수 있는 방법을 보여주었다.[12]

4. 실험적 검증

2012년 ''네이처''에 발표된 기사에서 리옹 고등사범학교, 아우크스부르크 대학교, 카이저슬라우테른 대학교의 물리학자 팀은 개별 데이터 비트가 지워질 때 방출되는 미세한 열량을 처음으로 측정했다고 설명했다.[9]

2014년, 물리적 실험을 통해 란다우어의 원리를 테스트하고 그 예측을 확인했다.[10]

2016년, 연구자들은 레이저 탐침을 사용하여 나노자석 비트가 꺼짐에서 켜짐으로 전환될 때 발생한 에너지 소모량을 측정했다. 비트를 뒤집는 데 300 K에서 약 0.026eV가 필요했는데, 이는 란다우어 최소값보다 44% 높은 수치이다.[11]

2018년 ''네이처 피직스''에 게재된 기사에서는 고스핀 (''S'' = 10) 양자 단분자 자석 배열에서 저온(T = 1K)에서 수행된 란다우어 삭제를 다루고 있다. 이 배열은 각 나노자석이 단일 비트의 정보를 인코딩하는 스핀 레지스터 역할을 하도록 만들어졌다.[12] 이 실험은 란다우어 원리의 유효성을 양자 영역으로 확장하기 위한 토대를 마련했다. 실험에 사용된 단일 스핀의 빠른 동역학과 낮은 "관성"으로 인해, 연구자들은 또한 삭제 작업을 란다우어 원칙에 의해 부과된 가장 낮은 가능한 열역학적 비용으로, 그리고 고속으로 수행할 수 있는 방법을 보여주었다.[12]

5. 논쟁 및 도전

이 원리는 물리 법칙으로 널리 받아들여지고 있지만, 순환 논법과 결함 있는 가정을 사용한다는 이유로 이의가 제기되어 왔다.[13][14][15][16] 다른 연구자들은 이 원리를 옹호했으며, Sagawa와 Ueda (2008)[6] 및 Cao와 Feito (2009)[7]는 란다우어의 원리가 열역학 제2법칙과 정보 획득과 관련된 엔트로피 감소의 결과임을 보였다.

반면에 비평형 통계 물리학의 최근 발전은 논리적 가역성과 열역학적 가역성 간에 선험적인 관계가 없음을 확립했다.[19] 물리적 과정이 논리적으로 가역적이지만 열역학적으로 비가역적일 수 있다. 또한 물리적 과정이 논리적으로 비가역적이지만 열역학적으로 가역적일 수도 있다. 기껏해야 논리적으로 가역적인 시스템으로 계산을 구현하는 것의 이점은 미묘하다.[20]

2016년, 페루자 대학교 연구원들은 란다우어의 원칙 위반을 시연했다고 주장했지만,[21] 그들의 결론에 대해서는 이견이 있었다.[22]

참조

[1] 논문 Notes on Landauer's principle, Reversible Computation and Maxwell's Demon http://www.cs.prince[...] 2015-02-18
[2] 간행물 The physics of forgetting: Landauer's erasure principle and information theory http://www3.imperial[...] 2001
[3] 웹사이트 Nanomagnet memories approach low-power limit http://www.bloomweb.[...] 2013-05-05
[4] 웹사이트 Landauer Limit Demonstrated https://spectrum.iee[...] 2013-05-05
[5] 논문 Irreversibility and heat generation in the computing process http://worrydream.co[...] 2015-02-18
[6] 간행물 Second Law of Thermodynamics with Discrete Quantum Feedback Control https://link.aps.org[...] 2008-02-26
[7] 간행물 Thermodynamics of feedback controlled systems https://link.aps.org[...] 2009-04-10
[8] 논문 Information Erasure Without an Energy Cost 2011-06-08
[9] 논문 Experimental verification of Landauer's principle linking information and thermodynamics http://www.physik.un[...] 2012-03-08
[10] 논문 High-Precision Test of Landauer's Principle in a Feedback Trap 2014-11-04
[11] 간행물 Experimental test of Landauer's principle in single-bit operations on nanomagnetic memory bits 2016-03-01
[12] 논문 Quantum Landauer erasure with a molecular nanomagnet http://resolver.tude[...] 2018-03-19
[13] 간행물 Exorcist XIV: The Wrath of Maxwell's Demon. Part I. From Maxwell to Szilard https://www.scienced[...] 1998-12
[14] 웹사이트 Logic and Entropy [preprint] http://philsci-archi[...] 2000-06
[15] 간행물 Eaters of the lotus: Landauer's principle and the return of Maxwell's demon http://philsci-archi[...] 2023-12-20
[16] 간행물 Waiting for Landauer https://sites.pitt.e[...] 2023-12-20
[17] 간행물 The connection between logical and thermodynamic irreversibility http://philsci-archi[...] 2023-12-20
[18] 간행물 Some Like It Hot https://inference-re[...] 2019-12-12
[19] 논문 Thermodynamic and logical reversibilities revisited
[20] 논문 Stochastic thermodynamics of computation
[21] 웹사이트 Computing study refutes famous claim that 'information is physical' https://m.phys.org/n[...]
[22] 간행물 Comments on 'Sub-''k''B''T'' Micro-Electromechanical Irreversible Logic Gate' https://www.research[...] 2020-03-08


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