Per decenni, i fisici hanno lottato con la comprensione del costo termodinamico della manipolazione delle informazioni, quello che oggi chiameremmo informatica. Quanta energia ci vuole, Per esempio, cancellare un singolo bit da un computer? E le operazioni più complicate? Questi stanno premendo, domande pratiche, come i computer artificiali sono maiali di energia, rivendicando una stima del quattro per cento dell'energia totale consumata negli Stati Uniti.

Queste domande non si limitano alle macchine digitali da noi costruite. Il cervello umano può essere visto come un computer, uno che divora dal 10 al 20 percento di tutte le calorie consumate da una persona. Cellule viventi, pure, possono essere visti come computer, ma computer che "sono molti ordini di grandezza più efficienti" di qualsiasi laptop o smartphone che l'uomo abbia costruito, dice David Wolpert del Santa Fe Institute.

Wolpert, un matematico, fisico, e informatico, è stato in prima linea in una rapida ripresa dell'interesse per una profonda comprensione del costo energetico dell'informatica. Quella ricerca ora sta facendo il suo passo, grazie ai progressi nell'utilizzo di alcuni strumenti rivoluzionari recentemente sviluppati nella fisica statistica, per comprendere il comportamento termodinamico dei sistemi di non equilibrio. La ragione per cui questi strumenti sono così importanti è che i computer sono decisamente sistemi di non equilibrio. (Scollegare il laptop e attendere che raggiunga l'equilibrio, e poi vedere se funziona ancora.) Sebbene Wolpert affronti principalmente questi problemi utilizzando strumenti dell'informatica e della fisica, c'è anche un forte interesse da parte di ricercatori in altre aree, compresi quelli che studiano le reazioni chimiche, biologia cellulare, e neurobiologia.

Però, la ricerca in fisica statistica del non equilibrio avviene in gran parte in silos, dice Wolpert. In una recensione pubblicata oggi su Journal of Physics A , Wolpert raccoglie i recenti progressi nella comprensione della termodinamica del calcolo che sono fondati nell'informatica e nella fisica. La revisione funziona come una sorta di rapporto sullo stato della scienza per una fiorente indagine interdisciplinare.

"E' fondamentalmente un'istantanea dello stato attuale dei campi, dove queste idee iniziano ad esplodere, in tutte le direzioni, "dice Wolpert.

Nella carta, Wolpert riassume innanzitutto le idee teoriche rilevanti della fisica e dell'informatica. Quindi discute ciò che è noto sul costo entropico di una serie di calcoli, dalla cancellazione di un singolo bit all'esecuzione di una macchina di Turing. Continua mostrando come le scoperte nella fisica statistica del non equilibrio hanno permesso ai ricercatori di sondare più formalmente quei casi, andando ben oltre la semplice cancellazione di bit.

Wolpert tocca anche le questioni sollevate in questa recente ricerca che suggeriscono sfide del mondo reale, come come progettare algoritmi con in mente il risparmio energetico. Possono i sistemi biologici, Per esempio, servire da ispirazione per la progettazione di computer con un costo termodinamico minimo?

"Siamo sorpresi e stupiti in molti modi, " dice Wolpert. Nel mettere insieme la recensione, e la coedizione di un libro sull'argomento che uscirà entro la fine dell'anno, "abbiamo scoperto fenomeni che nessuno ha analizzato prima che erano molto naturali per noi, mentre perseguiamo questa versione moderna della termodinamica del calcolo".