Al decenia, natuurkundigen hebben geworsteld met het begrijpen van de thermodynamische kosten van het manipuleren van informatie, wat we nu computergebruik zouden noemen. Hoeveel energie kost het, bijvoorbeeld, om een ​​enkel bit van een computer te wissen? Hoe zit het met meer gecompliceerde operaties? Deze zijn dringend, praktische vragen, aangezien kunstmatige computers energievreters zijn, claimen naar schatting vier procent van het totale energieverbruik in de Verenigde Staten.

Deze vragen beperken zich niet tot de door ons gebouwde digitale machines. Het menselijk brein kan worden gezien als een computer - een die naar schatting 10 tot 20 procent van alle calorieën die een persoon binnenkrijgt, opslokt. Levende cellen, te, kunnen worden gezien als computers, maar computers die "veel ordes van grootte efficiënter zijn" dan welke laptop of smartphone dan ook die mensen hebben gebouwd, zegt David Wolpert van het Santa Fe Institute.

Wolpert, een wiskundige, natuurkundige, en computerwetenschapper, heeft in de frontlinie gestaan ​​van een snelle heropleving van de belangstelling voor een diep begrip van de energiekosten van computers. Dat onderzoek komt nu op gang, dankzij de vooruitgang in het gebruik van enkele revolutionaire tools die recentelijk zijn ontwikkeld in de statistische fysica, om het thermodynamisch gedrag van niet-evenwichtssystemen te begrijpen. De reden dat deze tools zo belangrijk zijn, is dat computers beslist niet-evenwichtssystemen zijn. (Haal de stekker van uw laptop uit het stopcontact en wacht tot deze in evenwicht is, en kijk dan of het nog steeds werkt.) Hoewel Wolpert deze problemen voornamelijk benadert met tools uit de informatica en de natuurkunde, er is ook grote belangstelling van onderzoekers op andere gebieden, inclusief degenen die chemische reacties bestuderen, celbiologie, en neurobiologie.

Echter, onderzoek in niet-evenwichtige statistische fysica gebeurt grotendeels in silo's, zegt Wolpert. In een recensie die vandaag is gepubliceerd in de Journal of Physics A , Wolpert verzamelt recente vorderingen in het begrijpen van de thermodynamica van berekeningen die zijn gebaseerd op informatica en natuurkunde. De review fungeert als een soort state-of-the-science rapport voor een ontluikend interdisciplinair onderzoek.

"Het is eigenlijk een momentopname van de huidige staat van de velden, waar deze ideeën beginnen te exploderen, in alle richtingen, ’ zegt Wolpert.

In de krant, Wolpert vat eerst de relevante theoretische ideeën uit de natuurkunde en de informatica samen. Vervolgens bespreekt hij wat er bekend is over de entropische kosten van een reeks berekeningen, van het wissen van een enkel bit tot het draaien van een Turing-machine. Hij laat verder zien hoe doorbraken in de statistische fysica zonder evenwicht onderzoekers in staat hebben gesteld om die gevallen formeler te onderzoeken - veel verder gaan dan het eenvoudig wissen van bits.

Wolpert gaat ook in op de vragen die in dit recente onderzoek naar voren zijn gebracht en die uitdagingen in de echte wereld suggereren, zoals het ontwerpen van algoritmen met energiebesparing in het achterhoofd. Kunnen biologische systemen, bijvoorbeeld, als inspiratiebron dienen voor het ontwerpen van computers met minimale thermodynamische kosten?

"We worden op veel manieren verrast en verbaasd, " zegt Wolpert. Bij het samenstellen van de recensie, en co-editing van een boek over het onderwerp dat later dit jaar uitkomt, "We hebben fenomenen ontdekt die niemand eerder heeft geanalyseerd en die voor ons heel natuurlijk waren, terwijl we deze moderne versie van de thermodynamica van de berekening nastreven."