Реверзибилно рачунање

Нека логичка кола савремених, класичних, рачунара имају особину неповратности (необртљивости, „иреверзибилности“). Као важан пример, следећом табелом представљена је операција логичког ИЛИ:

Табела 1.

Операција ИЛИ	Први бит	Други бит	Излазни бит
	0	0	0
	0	1	1
	1	0	1
	1	1	1

Из Табеле 1 се јасно види да сваки пар вредности улазних битова (којих има два) даје једнозначан „излаз“, то јест, једнозначну вредност излазног бита. Али обрнуто не важи: вредности излазног бита једнакој 1 одговарају три комбинације вредности улазних битова.

„Реверзибилност“ неке операције подразумева, у ствари захтева, да једнозначност вредности битова иде у оба смера, како од улазних (input) ка излазним (output), тако и од излазних ка улазним битовима. То није испуњено у Табели 1.

У развоју теорије рачунања (рачунање је једино што рачунари раде, све време) поставило се питање да ли се може развити реверзибилно рачунање, а онда и на њему засновани реверзибилни рачунари. Убрзо је добијен одговор да ЈЕСТЕ могуће.

Једна важна предност реверзибилних рачунара би била уштеда у енергији. Наиме, реверзибилност процеса рачунања је могуће упарити са физичким сачувањем енергије, која важи код реверзибилних физичких процеса. Другим речима, ако се жели сачувати енергија при рачунању, потребно је имати логичке операције које ће бити повратне – енергија „улаза“ би гарантовано била иста као и енергија „излаза“. Мало формалније, то би значило да је број улазних битова једнак броју излазних битова – а управо то не важи за горе представљену операцију логичке операције ИЛИ.

На Слици 1 испод представљене су, једна до друге, логичке операције ИЛИ.

На левој страни је класична операција која има два улаза и само један излазни бит, док је на десној страни ознака за неко реверзибилно ИЛИ које има два улазна и два излазна бита.

Са реверзибилним операцијама је лако оперисати јер не троше („не дисипирају“) енергију и само један од два излазна бита на десној страни Слике 1 је од интереса за операцију ИЛИ – други не носи корисну информацију. Зато је унапред јасно да су регистри битова у рачунару просторно већи, а самим тим и очекивани габарити класичних реверзибилних рачунара већи од габарита постојећих рачунара.

На крају процеса рачунања (после очитавања резултата), као и у постојећим рачунарима, регистри битова се бришу и постављају у потребне „улазе“ за следећи корак израчунавања.

Испоставља се да операција брисања информације захтева губитак енергије. То је успостављено уочавањем које се понекад назива „Ландауеровим начелом“ (Landauer’s principle):

„У току брисања једног бита информације троши се најмање \(k_B T \ln2 \) енергије.“

где је са \( k_B=1.38\cdot10^{-23} J/K \) означена Болцманова константа, док је са \(T\) означена (апсолутна) температура физичког система који прима енергију одаслату из бита чија је вредност обрисана. На собној температури од, приближно, \(T=300K\), потрошена енергија износи приближно \(4.14\cdot10^{-21} J\).

Дакле, у свим својим фазама, осим у поступцима брисања информације (нпр., ресетовања регистра битова), реверзибилно рачунање се може обављати са осетном уштедом у енергијском ресурсу неопходном за рачунање, са истом рачунском способношћу („потенцијалом“) као и постојеће иреверзибилно класично рачунање.