超越 Landauer 界：模块化的热力学

信息处理通常通过模块化单元的组合来实现，例如通用逻辑门。与全局集成信息处理相比，模块化信息处理的优势在于，复杂全局计算更容易、更灵活地通过一系列仅控制和改变局部自由度的简单局部信息处理操作来实现。我们表明，尽管有这些优势，模块化仍具有不可避免的热力学代价——这些代价直接源于局部处理的操作，且超出了擦除信息的 Landauer 耗散界。然而，当全局协调控制信息库的所有自由度时，集成计算可以达到 Landauer 界。遗憾的是，承载信息的自由度之间的全局相关性很容易因模块化实现而丢失。这是有代价的，因为这种相关性是一种热力学燃料。我们用全局非平衡自由能的变化（捕获这些全局相关性）与非平衡自由能的局部（边缘）变化（限制模块化做功）之差，来量化模块化计算的最小不可逆耗散。这种模块化耗散与以模块化方式执行计算任务所需的额外功成正比。它对物理嵌入的换能器（即信息棘轮）具有直接影响。我们展示了如何通过设计捕获信息库中全局相关性和模式的内部棘轮状态，来规避模块化耗散。以这种方式设计的信息棘轮能够匹配全局集成计算的最佳热力学效率。