Calcul réversible

Le de calcul réversible inclut n'importe quel processus informatique qui est (au moins à une certaine approximation étroite) le réversible, c., le time- inversible, signifiant qu'une version temps-renversée du processus pourrait exister dans le même cadre dynamique général que le processus original. Par exemple, dans le contexte des cadres dynamiques déterministes du , une condition nécessaire pour la réversibilité est que la fonction de transition traçant des états à leurs successeurs à un temps postérieur donné devrait être le linéaire.

Probablement la plus grande motivation pour l'étude du matériel et des technologies du logiciel visées réellement mettant en application le calcul réversible est qu'ils offrent ce qui est la seule manière potentielle d'améliorer l'efficacité énergétique des ordinateurs au delà de la limite fondamentale de Von Neumann-Landauer de de l'énergie du ln 2 de kT de absorbée par opération irréversible de peu de , où le k est le constant de Boltzmann de des × 1.38 ; 10−23 J/K, et T est la température de l'environnement dans lequel l'entropie non désirée sera expulsée.

Il y a deux le commandant, closely-related, les types de réversibilité qui sont d'intérêt particulier à cette fin : réversibilité physique de et réversibilité logique de . Un processus serait le physiquement réversible s'il a comme conséquence aucune augmentation de l'entropie physique ; c'est le isentropique de . Bien que le dans la pratique aucun processus physique non stationnaire puisse être le exactement physiquement réversible ou isentropique, il n'y a aucune limite connue à la proximité avec laquelle nous pouvons approcher la réversibilité parfaite, dans les systèmes qui bien-sont suffisamment isolés dans des interactions avec les environnements externes inconnus, quand les lois de la physique décrivant l'évolution du système sont avec précision connues.

Comme a été discuté la première fois par le Rolf Landauer du IBM , afin d'un processus informatique soient physiquement réversibles, ce doit également être le logiquement réversible. Ce rapport s'appelle le principe de Landauer de . Un processus informatique discret et déterministe serait logiquement réversible si la fonction de transition qui trace de vieux états informatiques aux neufs est une fonction linéaire .

Pour les processus informatiques qui sont non déterministes (dans le sens d'être probabiliste ou aléatoire), la relation entre de vieux et nouveaux états n'est pas une fonction Single-valued , et la condition requise pour obtenir la réversibilité physique devient une condition légèrement plus faible, à savoir qui la taille d'un ensemble indiqué d'états informatiques initiaux possibles ne diminue pas, en moyenne, car le montant de calcul expédie.

Plus selon le principe de Landauer

On peut comprendre que le principe de Landauer est une conséquence logique simple de la loi de deuxièmes de la thermodynamique - qui déclare que l'entropie d'un système fermé ne peut pas diminuer - ainsi que la définition de la température thermo-dynamique . Pour, si le nombre d'états logiques possibles d'un calcul étaient de diminuer car le calcul a procédé en avant (irrévocabilité logique), ceci constituerait une diminution interdite d'entropie, à moins que le nombre d'états physiques possibles correspondant à chaque état logique aient été d'augmenter simultanément d'au moins une quantité compensatrice, de sorte que tout le nombre d'états physiques possibles n'ait été pas plus petit qu'à l'origine (l'entropie totale n'a pas diminué).

Pourtant une augmentation du nombre d'états physiques correspondant à chaque état logique signifie que pour un observateur qui maintient l'état logique du système mais pas l'état physique (par exemple un " ; observer" ; comprenant l'ordinateur lui-même), le nombre d'états physiques possibles a augmenté ; en d'autres termes, l'entropie a augmenté du point de vue de cet observateur. L'entropie maximum d'un système physique lié est finie. (Si le principe olographe est correct, alors les systèmes physiques avec la superficie fini ont une entropie maximum finie ; mais indépendamment de la vérité du principe olographe, la théorie des champs de Quantum dicte que l'entropie des systèmes avec le rayon et l'énergie finis est finie.) Ainsi, pour éviter d'atteindre ce maximum au cours d'un calcul prolongé, l'entropie doit par la suite être expulsée à un environnement extérieur à un certain indiqué T de la température, exigeant que le E d'énergie = rue de doit être émis dans cet environnement si la quantité d'entropie supplémentaire est le S . Pour une opération informatique dans laquelle 1 a mordu d'information logique est perdu, la quantité d'entropie produite est au moins le ln 2 du k , et ainsi l'énergie qui doit par la suite être émise à l'environnement est &ge du E ; ln 2.

Cette expression pour la dissipation d'énergie minimum d'une opération binaire logiquement irréversible a été suggérée la première fois par le John Von Neumann , qui a été édité par le Charles H. Bennett de la recherche d'IBM dans le 1973 . Aujourd'hui, le champ a un corps substantiel de la littérature scolaire derrière lui. Une large variété de concepts réversibles de dispositif, les langages de programmation de des architectures de processeur de des circuits électroniques des portes de logique et les algorithmes d'application ont été conçus et analysés par les ingénieurs électriques des physiciens et les informaticiens

Ce champ de recherche attend le développement détaillé d'un de haute qualité, rentable, la technologie presque réversible de dispositif logique, une qui inclut le fortement de rendement optimum synchronisant et mécanismes de la synchronisation . Cette sorte de progrès plein de technologie sera nécessaire avant que le grand corps de la recherche théorique sur le réversible calculant puisse trouver l'application pratique en permettant à la vraie informatique d'éviter les diverses barrières à court terme à son efficacité énergétique, y compris le von Neumann-Landauer lié. Ceci peut seulement être évité en employant le calcul logiquement réversible, dû à la loi de deuxièmes de la thermodynamique .

Réversibilité logique pratique

N'importe quel algorithme informatique peut être rendu logiquement réversible pour tant que une histoire complète de chaque opération irréversible peut être maintenue. (Ceci est vu dans chaque application de logiciel qui offre un " à multiniveaux ; Le défont le " de ; dispositif.) L'histoire se développera toujours plus grande, ainsi elle est limitée par mémoire disponible. Pour éviter partiellement cette limitation, des instantanés de l'état informatique complet peuvent être sauvés à divers intervalles, pour fournir la capacité de sauter plus loin vers l'arrière à temps, bien que pas sans à-coup. (Cette approche est adoptée par le " archivistique ; " de secours du ; systèmes.)

Le calcul réversible de cette sorte n'est habituellement pas symétrique à temps. (Renverser une opération peut prendre plus de du temps, ou moins, parce que le mécanisme fondamental est différent.)

Voir également

Dynamique réversible
Thermodynamique maximum d'entropie de -- sur l'interprétation d'incertitude de la deuxième loi de la thermodynamique
Processus réversible
Porte de Toffoli de
Porte de Fredkin de
Informatique quantique
Ordinateur de Billard-Boule de
le 3 a entré les portes de logique universelles
Le défont

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