We consider the minimal thermodynamic cost of an individual computation, where a single input $x$ is transformed into a single output $y$. In prior work, Zurek proposed that this cost was given by $K(x\vert y)$, the conditional Kolmogorov complexity of $x$ given $y$ (up to an additive constant which does not depend on $x$ or $y$). However, this result was derived from an informal argument, applied only to deterministic computations, and had an arbitrary dependence on the choice of physical protocol (via the additive constant). Here we use stochastic thermodynamics to derive a generalized version of Zurek's bound from a rigorous Hamiltonian formulation. Our bound applies to all quantum and classical processes, whether noisy or deterministic, and it explicitly captures the dependence on the protocol. We show that $K(x\vert y)$ is a fundamental cost of mapping $x$ to $y$ which must be paid using some combination of heat, noise, and protocol complexity, implying a tradeoff between these three resources. We also show that this bound is achievable. Our result is a kind of "algorithmic fluctuation theorem" which has implications for the relationship between the Second Law and the Physical Church-Turing thesis.


翻译:我们考虑了单项计算的最低热力成本,其中单项输入美元转化为单项输出美元。在先前的工作中,Zurek提议这一成本由K(x\vert y)美元提供,这是附带条件的Kolmogorov 复杂程度为美元给以美元(不取决于x美元或美元)的Kolmogorov美元(不取决于不依赖美元或美元)的附加常数)。然而,这一结果来自一种非正式的论据,它只适用于确定性计算,并且任意依赖物理协议的选择(通过添加常数)。在这里,我们使用随机热动力学从严格的汉密尔顿式配方获得Zurek的通用版本。我们的约束适用于所有数量和传统过程,无论是噪音还是确定性,它明确反映了对协议的依赖性。我们证明,美元(x\vert y)是绘制美元至美元的基本成本,必须使用某种热力、噪音和协议复杂性的组合来支付。我们在这里使用这三种资源之间的权衡,我们还表明这种约束性,也就是这种约束性关系是可实现的。

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