Landauer-Prinzip

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Das Landauer-Prinzip besagt, dass das Löschen eines Bits an Information zwangsläufig die Abgabe einer Energie von

in Form von Wärme an die Umgebung bedeutet. T ist dabei die absolute Temperatur der Umgebung, k die Boltzmann-Konstante. Das 1961 von Rolf Landauer formulierte Prinzip verknüpft somit Informationstheorie einerseits mit Thermodynamik und statistischer Physik andererseits.

Durch das Landauer-Prinzip besteht für irreversibel arbeitende Computer, wie es heute fast alle sind, eine theoretische Untergrenze der Verlustleistung, die praktisch u.a. wegen der Funktionssicherheit sogar noch höher liegt. Das Mooresche Gesetz lässt das Erreichen dieser Grenze für 2030 bis 2035 erwarten. Überschreiten lässt sich diese Grenze nur mit grundlegenden technischen Neuerungen wie Quantencomputern oder reversibel arbeitenden Computern nach Charles H. Bennett. Letztere sind unmittelbar vom Landauer-Prinzip abgeleitet. Um ein Löschen von Information zu vermeiden, laufen sie nach dem Ende einer Berechnung rückwärts wieder in den Anfangszustand zurück. Dazu müssen vom logischen Gatter bis zur Programmiersprache alle Elemente reversibel neu entwickelt werden.

Ebenfalls von Charles Bennett vorgeschlagen wurde die Interpretation des Maxwellschen Dämons mit dem Landauer-Prinzip. Aus der oben angegebenen Formel für den Energieverlust folgt unmittelbar für die beim Löschen eines Bits abgegebene Entropie:

Diese Entropie wird durch das Überschreiben, also implizite Löschen, des Gedächtnisses des Dämons für die Geschwindigkeit der anfliegenden Teilchen freigesetzt. Die dadurch verursachte Entropieerhöhung hebt die durch seine Sortiertätigkeit verursachte Verringerung genau auf.

Orly R. Shenker setzt sich in einer detaillierten [Analyse] aus dem Jahr 2000 mit Landauers Thesen auseinander. Shenker kommt in seinem Papier zu dem Schluß, daß Landauer den Begriff der Dissipation, der in der Informationstheorie und der Thermodynamik verwendetet wird, in unzulässiger Weise verknüpfe.

Positive Unterstützung finden Landauers Thesen in den theoretische Arbeiten des amerikanischen Physikers Edwin Thompson Jaynes (July 5, 1922 - April 30, 1998)

Landauers Thesen sind von erheblicher theoretischer Tragweite und bilden einen Schlüsselbaustein für eine Reihe weitergehender Theorien, z.B. bei Grundlagenarbeiten zu Quantencomputern. Ein experimenteller Beweis oder eine Widerlegung von Landauers Thesen seht bisher aus.

[Bearbeiten] Literatur

• Rolf Landauer, Irreversibility and heat generation in the computing process, IBM Journal of Research and Development, vol. 5, pp. 183-191, 1961.
• Rolf Landauer, The Physical Nature of Information, Physics Letters A 217 (1996): 188-193
• Shenker, Orly R. (2000) Logic and Entropy, [[1]]
• Jaynes, E. T., 1957, Information Theory and Statistical Mechanics, [2]