计算的热力学:寻找运行图灵机的成本的方法
计算的计算机热力学:寻找运行图灵机的成本的方法
令狐韦良导读 图灵机最早是由英国数学家艾伦·图灵(Alan Turing)于1936年提出的,它是热的方系统成为计算机意味着什么的理论数学模型。从较高的力学角度看,这些图灵机最早是寻找由英国数学家艾伦·图灵(Alan Turing)于1936年提出的,它是运行系统成为“计算机”意味着什么的理论数学模型。
从较高的图灵角度看,这些机器与现实世界中的成本现代计算机相似,因为它们具有用于存储数字数据和程序(有点像硬盘),计算机少量处理器(CPU)进行计算的热的方功能,并且可以从其计算机中读取程序存储,力学运行它们并产生输出。寻找令人惊讶的运行是,图灵在现实世界的图灵电子计算机存在之前提出了他的模型。
在《物理学会的成本物理评论研究》上发表的一篇论文中,圣塔菲研究所的计算机研究人员Artemy Kolchinsky和David Wolpert展示了他们在图灵机环境下探索计算热力学的工作。
Kolchinsky说:“我们的直觉是,图灵机的物理结构将显示出许多丰富而新颖的结构,因为它们具有特殊的属性,而较简单的计算模型则缺乏通用性。”
从任何系统进行的任何计算也可以由图灵机完成的意义上,图灵机被普遍认为是通用的。
找到运行图灵机的成本的追求开始沃伯特试图用信息论 -the量化,存储和通信信息 -to一个正式多么复杂,给一台计算机的操作。虽然他的注意力并不局限于图灵机本身,但很明显,他得出的任何结果也必须适用于它们。
在此过程中,Wolpert跌入了随机热力学领域。他说:“我非常沮丧地意识到,我不得不放弃试图重新制定非平衡统计物理学的工作,而采用了随机热力学。” “一旦这样做,我就拥有了解决原始问题的工具,将其表述为:就随机热力学成本函数而言,运行图灵机的成本是多少?换句话说,我将问题重新表述为计算的热力学。计算。”
计算的热力学是物理学的一个子领域,它探索物理学的基本定律所说的关于能量和计算之间的关系。它对执行计算所需的绝对最小能量具有重要意义。
Wolpert和Kolchinsky的工作表明,能量和计算之间存在关系,可以用算法信息(将信息定义为压缩长度)而不是“ Shannon信息”(将信息定义为减少计算机状态的不确定性)表示关系)。
换句话说,计算所需的能量取决于计算的输出比输入的可压缩性高得多。“为了扩展莎士比亚的类比,想象一下图灵机读莎士比亚的全部作品,然后输出一个十四行诗,”科尔钦斯基解释说。“输出的压缩比输入的压缩时间短得多。相对而言,执行该计算的任何物理过程都需要大量的能量。”
尽管重要的早期工作还提出了算法信息与能量之间的关系,但Wolpert和Kolchinsky使用现代统计物理学的形式化工具推导出了这些关系。与早期的研究人员相比,这使他们可以分析更广泛的场景,并更加精确地确定其结果所处的条件。
“我们的结果指出了能量与计算之间的新型关系,” Kolchinsky说。“这拓宽了我们对当代物理学与信息之间联系的理解,这是物理学中最令人兴奋的研究领域之一。”
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