情報と熱力学をリンクするLandauerの原則の実験的検証

1961年、ロルフランダウアーは、情報の消去は散逸プロセスであると主張しました。熱エネルギーに比例し、ランダウアーバインドと呼ばれる最小限の熱は、古典的な情報のビットが削除されると、必然的に生成されます。この論理的に不可逆的な変換の直接的な結果は、環境のエントロピーが有限量で増加することです。情報理論とコンピューターサイエンスにとって根本的な重要性にもかかわらず、消去原則はこれまで実験的に検証されていません。主な障害は、低偏差体制で単一粒子実験を行うことの難しさです。ここでは、1ビットメモリの一般的なモデルに縛られたランダウアーの存在を実験的に示します。変調された二重ウェルポテンシャルに閉じ込められた単一のコロイド粒子のシステムを使用して、長い消去サイクルの限界に縛られたランダウアーで平均散逸熱が飽和することを確立します。この結果は、情報理論と熱力学との間の親密なリンクを示しています。さらに、不可逆的な計算の究極の物理的限界を強調します。

In 1961, Rolf Landauer argued that the erasure of information is a dissipative process. A minimal quantity of heat, proportional to the thermal energy and called the Landauer bound, is necessarily produced when a classical bit of information is deleted. A direct consequence of this logically irreversible transformation is that the entropy of the environment increases by a finite amount. Despite its fundamental importance for information theory and computer science, the erasure principle has not been verified experimentally so far, the main obstacle being the difficulty of doing single-particle experiments in the low-dissipation regime. Here we experimentally show the existence of the Landauer bound in a generic model of a one-bit memory. Using a system of a single colloidal particle trapped in a modulated double-well potential, we establish that the mean dissipated heat saturates at the Landauer bound in the limit of long erasure cycles. This result demonstrates the intimate link between information theory and thermodynamics. It further highlights the ultimate physical limit of irreversible computation.