การคำนวณแบบย้อนกลับ
คอมพิวเตอร์ที่สามารถย้อนกลับได้ทั้งทางตรรกะและทางร่างกายเป็นไปได้อย่างไร
เครดิต: C. DARKIN
สล็อตเว็บตรงไม่ผ่านเอเย่นต์ไม่มีขั้นต่ำ ไม่มีอะไรแน่นอนในชีวิตนอกจากความตาย ภาษี และกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ ทั้งสามเป็นกระบวนการซึ่งรูปแบบที่มีประโยชน์หรือเข้าถึงได้ของปริมาณบางอย่าง เช่น พลังงานหรือเงิน ถูกแปลงเป็นรูปแบบที่ไร้ประโยชน์และไม่สามารถเข้าถึงได้ของปริมาณเดียวกัน ไม่ได้หมายความว่ากระบวนการทั้งสามนี้ไม่มีผลประโยชน์เพียงเล็กน้อย: ภาษีที่จ่ายสำหรับถนนและโรงเรียน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ขับเคลื่อนรถยนต์ คอมพิวเตอร์ และเมแทบอลิซึม และความตาย อย่างน้อยที่สุด เปิดตำแหน่งคณาจารย์ที่ดำรงตำแหน่ง
อันที่จริง สิ่งดีๆ ส่วนใหญ่ในชีวิต รวมทั้งชีวิตด้วย เกิดจากการเสื่อมถอยของสิ่งที่มีประโยชน์ไปสู่ความไร้ประโยชน์ เป็นระเบียบ กลายเป็นความโกลาหล ซึ่งเป็นที่รู้จักในแง่กายภาพว่าเป็นการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี ยังคง จะเป็นการดีหรือไม่ที่จะชะลอความเร็วหรือหยุดการกระจายทรัพยากรที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในบางครั้งในบางครั้ง ท้ายที่สุด กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ไม่ต้องการให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้นเสมอ มันเปิดโอกาสที่เอนโทรปีจะคงที่ได้ มีกระบวนการบางอย่างที่สามารถย้อนกลับได้อย่างมีประสิทธิภาพ: ไม่มีพลังงานใดถูกกระจายไป และเอนโทรปียังคงไม่เปลี่ยนแปลง หรือเกือบจะเป็นเช่นนั้น ปฏิกิริยาเคมีสามารถย้อนกลับได้หากทำงานช้าเพียงพอ พวกเขาสามารถกระจายพลังงานจำนวนเล็กน้อยตามอำเภอใจต่อขั้นตอน กระบวนการทางกลเชิงควอนตัมที่สอดคล้องกัน เช่น การขุดอุโมงค์และการนำยิ่งยวดสามารถย้อนกลับได้และสามารถทำงานได้โดยไม่กระจาย โดยหลักการแล้วการคำนวณสามารถทำได้
กว่า 40 ปีที่แล้ว Rolf Landauer ตระหนักว่ามีการเชื่อมต่อพื้นฐานระหว่างการคำนวณกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ เช่นเดียวกับกระบวนการทางกายภาพ กระบวนการเชิงตรรกะสามารถย้อนกลับหรือย้อนกลับไม่ได้ การดำเนินการลอจิกสามารถย้อนกลับได้หากอินพุตสามารถอนุมานได้จากเอาต์พุต ตัวอย่างเช่น การดำเนินการ NOT ที่รับ 0 ถึง 1 และในทางกลับกันสามารถย้อนกลับได้ เนื่องจากถ้า Y = ไม่ใช่ X การรู้ว่า Y เป็น 0 จะทำให้เราสามารถอนุมานได้ว่า X คือ 1 ในทางตรงกันข้าม การดำเนินการ ERASE จะให้ผลลัพธ์เสมอ 0 โดยไม่คำนึงถึงอินพุตจะย้อนกลับไม่ได้: เอาต์พุตไม่ได้ให้ความรู้เกี่ยวกับอินพุต
รถม้า Landauer ชี้ให้เห็นถึงความเชื่อมโยงที่แน่นแฟ้นระหว่างการไม่สามารถย้อนกลับทางตรรกะและการย้อนกลับไม่ได้ทางกายภาพ ประการแรก การดำเนินการย้อนกลับทางตรรกะ เช่น NOT สามารถทำได้โดยใช้การดำเนินการที่ย้อนกลับได้ทางกายภาพ ตัวอย่างเช่น หากโปรตอนหมุนตามเข็มนาฬิการอบแกนบางตัวเพื่อลงทะเบียน YES และตัวหนึ่งหมุนทวนเข็มนาฬิกาลงทะเบียน NO ดังนั้นการใช้สนามแม่เหล็กจะทำให้โปรตอนพลิกจาก YES เป็น NO และย้อนกลับอีกครั้ง ทั้งหมดนี้ไม่มีการกระจายหรือเพิ่มเอนโทรปี . การหมุนแบบพลิกกลับใช้การดำเนินการ NOT ในลักษณะที่สามารถย้อนกลับได้ ประการที่สอง การดำเนินการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ตามตรรกะ เช่น ERASE จำเป็นต้องมีการย้อนกลับไม่ได้ทางกายภาพ ประจุบางส่วนในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์ของคุณได้รับการบันทึกโดยประจุในตัวเก็บประจุขนาดเล็ก: เมื่อคุณลบบิตด้วยการคืนค่าตัวเก็บประจุให้อยู่ในสถานะไม่มีประจุ จากนั้นพลังงานในตัวเก็บประจุจะสลายไปเป็นความร้อนครึ่งหนึ่ง
การคำนวณแบบธรรมดา
สร้างขึ้นจากการดำเนินการเชิงตรรกะแบบย้อนกลับและแบบย้อนกลับไม่ได้ ดังนั้นในตอนแรก แนวคิดที่ว่าการไม่สามารถย้อนกลับของตรรกะจำเป็นต้องมีการย้อนกลับไม่ได้ทางกายภาพ (ซึ่งเรียกว่าหลักการของ Landauer) ดูเหมือนจะหมายความว่าการคำนวณต้องมีการกระจาย แต่แล้วชาร์ลส์ เบนเน็ตต์และโดยอิสระ เอ็ด เฟรดกินก็ตระหนักว่าการดำเนินการที่ไม่สามารถย้อนกลับตามหลักเหตุผลส่วนใหญ่สามารถฝังอยู่ในการดำเนินการย้อนกลับที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยได้เล็กน้อย ด้วยเหตุนี้ ในหลักการแล้ว การคำนวณสามารถทำได้โดยใช้กระบวนการทางกายภาพที่ย้อนกลับได้ เช่น ปฏิกิริยาเคมีที่ช้าหรือกระบวนการควอนตัมที่สอดคล้องกัน กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับตามหลักเหตุผลได้ซึ่งไม่สามารถฝังลงในกระบวนการย้อนกลับที่ซับซ้อนกว่าได้คือการลบทิ้ง: เมื่อคุณลบสำเนาสุดท้ายของบิตออกจากคอมพิวเตอร์ของคุณ เอนโทรปีจะต้องเพิ่มขึ้นที่อื่น
ในทศวรรษที่ผ่านมา การคำนวณแบบย้อนกลับทั้งทางตรรกะและทางกายภาพได้ถูกนำมาใช้โดยใช้วงจร CMOS แบบย้อนกลับเชิงตรรกะ (เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เสริม) เชิงตรรกะ บางทีคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้นแบบที่น่าประทับใจยิ่งกว่านั้นถึงแม้จะเล็กและเรียบง่ายมาก แต่ก็สร้างเอนโทรปีจำนวนเล็กน้อยที่หายไปในระดับจุลภาค คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นสิ่งที่ใกล้เคียงที่สุดที่เรามีกับอุปกรณ์ที่ทำการคำนวณในลักษณะย้อนกลับทางตรรกะและทางกายภาพ (แน่นอนว่า เลเซอร์ แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด และตู้เย็นแบบเจือจางซึ่งจำเป็นต่อการทำงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะสร้างความร้อนได้มาก แต่การทำงานของลอจิกควอนตัมที่เกิดขึ้นใน ‘ความกล้า’ ของคอมพิวเตอร์ควอนตัมนั้นสามารถย้อนกลับได้โดยพื้นฐานและแทบจะไม่มีพลังงานเลย .) สล็อตเว็บตรงไม่ผ่านเอเย่นต์ไม่มีขั้นต่ำ
