Новое: онлайн-библиотека.·Читать

Вопросы

Что такое принцип Ландауэра?

Коротко

Принцип Ландауэра, сформулированный Рольфом Ландауэром в 1961 году, гласит: стирание одного бита информации обязано выделить не меньше kT ln 2 тепла — около 2,9 × 10⁻²¹ джоуля при комнатной температуре. В 2012 году это измерили напрямую. Принцип связывает информацию с термодинамикой и служит самым сильным аргументом в пользу того, что информация — физическая величина.

Формулировка

В 1961 году Рольф Ландауэр, физик из IBM, спросил, какова минимальная энергетическая цена вычисления (IBM Journal of Research and Development 5, 183). Его ответ: большинство операций в принципе можно выполнить бесплатно, а стирание информации — нельзя.

Стирание одного бита, то есть сброс ячейки памяти в 0 независимо от того, был там 0 или 1, обязано выделить в окружение не меньше

E = kT ln 2

тепла, где k — постоянная Больцмана, T — температура. При комнатной температуре (300 К) это около 2,9 × 10⁻²¹ Дж, примерно 0,018 электронвольта.

Почему стирание чего-то стоит

Ячейка, способная хранить 0 или 1, имеет два возможных состояния. После стирания — одно. Число возможных состояний памяти уменьшилось вдвое, и её энтропия упала на k ln 2. Второй закон термодинамики не позволяет общей энтропии уменьшаться, поэтому как минимум столько энтропии должно уйти в окружение в виде тепла.

Ключевой шаг: бит — физическое состояние физической системы. Ландауэр подытожил это фразой, ставшей лозунгом: информация физична.

Демон Максвелла

В 1867 году Джеймс Клерк Максвелл придумал крошечное существо, которое открывает дверцу между двумя камерами с газом, пропуская быстрые молекулы в одну сторону, а медленные в другую. Оно создало бы разность температур, казалось бы, даром, вопреки второму закону.

Чарльз Беннет в 1982 году показал, где спрятана цена. Чтобы сортировать молекулы, демон должен записывать, что увидел. Чтобы продолжать работу, ему придётся стирать записи, и по принципу Ландауэра стирание рассеет не меньше энтропии, чем убрала сортировка. Второй закон выживает, потому что память физична.

Измерение

Пятьдесят лет принцип оставался теоретическим результатом. В 2012 году Антуан Берю с коллегами проверил его напрямую (Nature 483, 187). Они поймали одну стеклянную бусину в двухъямный потенциал из лазеров, где «слева» и «справа» служили 0 и 1, и проводили циклы стирания, измеряя тепло. Чем медленнее шли циклы, тем ближе выделенное тепло подходило к kT ln 2 — и ниже не опускалось. Затем последовали эксперименты с наномагнитными битами (Hong et al., Science Advances, 2016) и квантовыми системами.

Что это значит для компьютеров

Нынешние чипы рассеивают на операцию на много порядков больше предела Ландауэра. Предел важен для будущего: он задаёт нижнюю границу для необратимых вычислений и мотивирует обратимые, где логика устроена так, что информация не стирается, и эту границу в принципе можно обойти.

Почему это важно для физики, построенной на информации

Принцип Ландауэра — самая надёжно установленная связь между информацией и энергией. На нём держатся идеи, которые считают информацию первичной физической величиной: «it from bit» Уилера, энтропия чёрных дыр Бекенштейна, эмерджентная гравитация Верлинде.

Исследовательская программа на этом сайте встраивает ту же связь в свой субстрат. В препринте Pointer Architecture история хранится в дописываемом архиве, из которого ничего не стирается, и статья доказывает, что этот архив сжимается до шенноновского предела. В терминах Ландауэра субстрат никогда не платит цену стирания, потому что ничего не стирает; свои записи он сжимает.

Итог

Стирание бита стоит как минимум kT ln 2 тепла. Принцип подтверждён экспериментально, он разрешил парадокс демона Максвелла и превращает «информация физична» в измеримое утверждение.

Обновлено 2026-09-26

Частые вопросы

Сколько составляет предел Ландауэра в цифрах?

kT ln 2 на стёртый бит: около 2,9 × 10⁻²¹ Дж, или 0,018 эВ, при 300 К. Стирание миллиарда бит на этом пределе выделило бы около 3 × 10⁻¹² Дж.

Принцип Ландауэра подтверждён экспериментально?

Да. Берю с коллегами измерили тепло, выделяющееся при стирании однобитной памяти из коллоидной бусины в двухъямной лазерной ловушке, и нашли, что оно приближается к kT ln 2 (Nature, 2012). Позже принцип подтвердили на наномагнитах и квантовых системах.

Насколько компьютеры далеки от предела Ландауэра?

Современные транзисторы рассеивают на логическую операцию на несколько порядков больше, чем kT ln 2, так что сегодня чипы ограничивает другое. Предел важен для сверхэкономных и обратимых вычислений.

При чём тут демон Максвелла?

Демон как будто бесплатно уменьшал энтропию, сортируя молекулы. Чарльз Беннет показал в 1982 году, что демону в итоге придётся стереть память о молекулах, а по принципу Ландауэра это стирание производит не меньше энтропии, чем убрала сортировка.

Читать дальше