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理学院Oscar Dahlsten课题组联合在有限时间内比特重置消耗能量的普遍界限方面取得进展

近日,南方科技大学理学院物理系和量子科学与工程研究院副教授Oscar Dahlsten课题组与德国和澳大利亚的研究人员合作,在比特重置基本计算操作中的所需功耗大小方面取得进展。论文以“Universal bound on energy cost of bit reset in finite time”为题,发表在学术期刊《物理评论快报》上。


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比特重置,即将取值未知的比特设置为固定值,是不可逆计算中的基本操作。 Landauer定则指出,比特重置会消耗kBTln2的能量,其中kB是玻尔兹曼常数,T是环境(即计算机)的温度。据推断,晶体管开关的能量耗用会在2035年左右达到Landauer的极限。此外,这一能量耗用关系着另一个重要的问题:未来十年间,数字信息处理预计将消耗全世界1/5的电力,如何减少计算的能聊消耗问题显得愈发重要。由于消耗的能量以热量的形式耗散到计算机中,而计算机的计算速度受到功耗的限制,因此比特重置的能量耗散也成为了能否通过计算机组件小型化来延续摩尔定律的关键问题。

为了达到kBTln2这一极限,需要准静态地操控比特以实现重置,然而,现实中的比特重置发生在有限的时间内,因此,它需要有比kBTln2高得多的功耗,即存在一个基于有限时间的消耗功的增量。对于接近Landauer极限的不可逆计算,了解上述功增量对于计算机的能量效率至关重要。一般来说,在长时间极限下,所有随机过程的功耗散随演化时间 τ 的变化是呈反线性的。这一结果已被双阱势中介观系统的理论和实验所验证。大量结果表明,当无错误的比特重置或假设系统满足局部平衡时,最优重置协议的做功增加量将按1/τ的形式变化。同时,基于量子比特重置的一个理论模型,其展现了一个更好的形式。这些研究结果间的关系以及比特的多种硬件实现(包括胶体系统和涨落的 RC 电路等),促使人们去寻找可适用于有限时间的、不限于比特具体物理实现的通用Landauer 定则,并据此为超越CMOS技术的新硬件提供指导。

在这篇快报中,研究人员通过解析推导出了比特重置中有限时间带来的功增量的的普遍下限。这一下限适用于满足详细平衡(detailedbalance)的所有物理模型,因此涵盖了之前专注于特定模型【如图 1(a) 和 (b)】的结果。该界限也适用于全部时间区域和比特重置存在错误的情况,因此可将该界限视为改进过的并且适用于限时间乃至无穷时间的 Landauer 定则。这一下限的证明过程也显示出,如果采用真正的两级系统(例如自旋),那么比特重置的功增量可以得到最大优化。研究人员进一步应用此界限推导了不可逆计算机的信息流通量上限。这些结果将有助于纳米电子研究中可替代硬件的选取,并将传统的信息热力学扩展至有限时间下的非平衡体系中。


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图 1:该工作适用于广泛的比特重置情况,包括:a) 双阱势场电位 V (x, t) 逐渐变成单阱,b)两能级系统中一能级逐渐提升。 c) 在有限时间比特重置过程中,系统状态 p(t) 滞后于热态 γ(t),可证明存在两个距离与最小的功消耗密切相关。


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图2:研究者们展示了比特重置的功增量如何随着有限时间与重置错误变化。


该论文第一作者为量子科学与工程研究院博士后甄一政(现就职于中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验中心),通讯作者为Oscar Dahlsten。合作者包括德累斯顿工业大学及德累斯顿马克斯普朗克复杂系统研究所学者Dario Egloff、墨尔本莫纳什大学教授Kavan Modi。南科大为论文第一单位。

本研究得到了中国国家自然科学基金、瑞士国家科学基金和澳大利亚技术与工程学会的大力支持。


论文链接:

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.190602




供稿:物理系

通讯员:许馨文

主图:丘妍