热力学计算的捷径：快速且可靠擦除的代价

Landauer原理指出，信息处理的能量代价必须超过温度与信息承载自由度的Shannon熵变之乘积。然而，该下界仅可在准静态、近平衡计算——即仅在无限时间内——实现。实际上，信息处理在有限时间内进行，导致耗散及潜在不可靠的逻辑结果。对于过阻尼Langevin动力学，我们展示了可精心构造反绝热势以引导系统快速且准确地沿所需计算路径行进，提供允许有限时间计算精确设计的捷径。此类捷径需要超出Landauer下界的额外功，其不可挽回地耗散至环境中。我们表明该耗散功正比于计算速率以及信息存储系统长度尺度的平方。作为一个范例，我们设计了将亚稳态存储于双势阱中一比特信息擦除的捷径。尽管耗散功通常随擦除保真度增加，我们表明可在有限时间内以有限功实现完美擦除。我们还表明信息存储的鲁棒性影响擦除的能量代价——具体而言，耗散功随双稳系统的信息寿命缩放。我们的分析揭示了功、速度、信息承载自由度尺寸、存储鲁棒性以及初末信息统计之差之间丰富而微妙的关系。