こんにちは！以前の記事で、物理学の歴史を揺るがした「マクスウェルの悪魔」についてお話しました。

▼「マクスウェルの悪魔って何だっけ？」という方はこちら［【物理学のミステリー】マクスウェルの悪魔とは？「情報」がエネルギーに変わる魔法の正体］

マクスウェルの悪魔は、「分子の動きを見極めて、エネルギーを使わずに部屋を暖めたり冷やしたりする」という、魔法のような存在でした。しかし、この悪魔は最終的に「ある物理の法則」によって完全に論破されてしまいます。

その法則こそが、今回紹介する「ランダウア―の原理」です。

一見難しそうですが、実は私たちのスマホや、未来のコンピューターの限界にも深く関係している、とても刺激的なテーマです。物理の知識ゼロでも分かるように、噛み砕いて解説します！

1.　ランダウア―の原理とは？「情報を消すと熱がでる」

1961年、物理学者のロルフ・ランダウア―が提唱したこの原理を、一言でいうとこうなります。

「デジタルデータを1ビット消去するとき、どうしても避けることができない、最小限の熱が発生する」

「え？データを消すだけで熱がでるの？」と不思議に思いますよね。私たちは普段、パソコンのゴミ箱を空にしても、スマホの写真を消しても、端末が熱くなったとは感じません。それは、現代のコンピューターが未熟で、ランダウア―の限界よりも遥かに大量の熱を別な理由（電気抵抗）で出しているからです。

しかし、理論上、どんなに完璧な未来のコンピューターを作ったとしても、「情報を消去する」という行為そのものが、絶対に熱を生み出してしまうのです。

2.　なぜ情報を消すと熱がでるの？（部屋の片付けで例えてみた）

なぜ「消去」が熱になるのか、物理の「エントロピー（乱雑さ）」を部屋の片付けに例えて考えてみましょう。

状態Ａ：散らかった部屋（データが1か0か分からない状態）

　机の上に、ペンが右にあるか左にあるか分からない状態です。これが「データが書き込まれている状態」です。

状態Ｂ：きれいに片付いた部屋（データを［0］に初期化した状態）

散らかったペンを、すべて［右側］にきっちり揃えて片付けます。これがデータの「消去（初期化）」です。

ここで考えてみてください。部屋をきれいに片付ける（＝情報を綺麗に揃える）ためには、あなたが動いてエネルギーを使い、汗（熱）をかきますよね？

物理の世界でも全く同じことが起きています。バラバラだった情報（1か0）を、綺麗に一方に揃える（消去して0にする）という作業は、「乱雑だったものを無理やり整える」ということです。その代償として、必ず周囲に「熱」が放出される決まりになっているのです。

ここで前回の記事で紹介した「マクスウェルの悪魔」を思い出してみましょう。

悪魔は、分子の動きをじっと見て、タダで部屋を片付けている（熱の同調を起こしている）ように見えました。「エネルギーを使わずに仕事ができる、永久機関の誕生？」と誰もがおもいました。

しかし、ランダウア―の原理がすべてを解決します。

❶.　悪魔が分子の動きを見極めるとき、悪魔の頭（メモリー）には「分子のデータ」はドンドン溜まります。

❷　.悪魔の頭の容量は無限ないので、次の仕事をするためには、古い記憶を消去しなければなりません。

➌　記憶を消去するとき、ランダウア―の原理によって「熱」が発生します。

結局、悪魔がサボって得たエネルギーよりも、記憶を消すときに出る熱（エネルギーのロス）の方が大きくなってしまうのです。のこうして、マックスウェルの悪魔は完全に論破されました。

4.　私たちの未来とランダウア―の原理

「でも、それってただの物理の理論でしょう？」と思うかもしれません。

実は、これは現代シリコン半導体（CPU）の限界に直結しています。

いま、AIの進化などでコンピューターの計算は爆発的に増えています。スマートフォンのチップもどんどん小さくなっていますが、これ以上小さくして計算を増やすと、「データを書き萎える（消去する）ときの熱」でチップが溶けてしまう限界がいずれやってきます。これが「ランダウア―の限界」です。

4-1.　限界を超える「量子コンピューター」

この限界を突破するために研究されているのが、量子コンピューターや可逆計算という技術です。「情報を消去するから熱が出るなら、情報を一切消去せずに、すべての計算を逆再生できるようにすれば熱が出ないのでは？」という、これまた逆転の発想から生まれた未来の技術です。

まとめ：情報は「形のない熱」である

今回のポイントをまとめます。

ランダウア―の原理：情報を消去するとき、必ず最小限の熱が発生する。

なぜ？：乱雑な状態を1つに綺麗に揃えるには、物理的なエネルギーの代償（熱）が必要だから

悪魔との関係：マクスウェルの悪魔は「記憶を消すときの熱」のせいで、永久機関になれなかった。

「情報」という目に見えないものが、実は「熱」という物理的な実態とガッチリ結びついているなんてロマンがありますよね。