Depuis des décennies, les physiciens ont lutté pour comprendre le coût thermodynamique de la manipulation de l'information, ce que nous appellerions maintenant l'informatique. Combien d'énergie faut-il, par exemple, effacer un seul bit d'un ordinateur ? Qu'en est-il des opérations plus compliquées ? Ceux-ci sont pressants, questions pratiques, comme les ordinateurs artificiels sont énergivores, revendiquant environ quatre pour cent de l'énergie totale consommée aux États-Unis.

Ces questions ne se limitent pas aux machines numériques que nous construisons. Le cerveau humain peut être considéré comme un ordinateur, qui engloutit environ 10 à 20 pour cent de toutes les calories qu'une personne consomme. Cellules vivantes, trop, peuvent être considérés comme des ordinateurs, mais des ordinateurs qui « sont de plusieurs ordres de grandeur plus efficaces » que n'importe quel ordinateur portable ou smartphone que les humains ont construit, dit David Wolpert du Santa Fe Institute.

Wolpert, un mathématicien, physicien, et informaticien, a été en première ligne d'un regain d'intérêt rapide pour une compréhension approfondie du coût énergétique de l'informatique. Cette recherche atteint maintenant son rythme de croisière, grâce aux avancées dans l'utilisation de certains outils révolutionnaires récemment développés en physique statistique, afin de comprendre le comportement thermodynamique des systèmes hors d'équilibre. La raison pour laquelle ces outils sont si importants est que les ordinateurs sont décidément des systèmes hors d'équilibre. (Débranchez votre ordinateur portable et attendez qu'il atteigne l'équilibre, et voyez ensuite si cela fonctionne toujours.) Bien que Wolpert aborde principalement ces problèmes en utilisant des outils de l'informatique et de la physique, il y a aussi un vif intérêt de la part des chercheurs dans d'autres domaines, y compris ceux qui étudient les réactions chimiques, biologie cellulaire, et neurobiologie.

Cependant, la recherche en physique statistique hors équilibre se déroule en grande partie en silos, dit Wolpert. Dans une revue publiée aujourd'hui dans le Journal de physique A , Wolpert rassemble les avancées récentes dans la compréhension de la thermodynamique du calcul qui sont fondées sur l'informatique et la physique. L'examen fonctionne comme une sorte de rapport sur l'état de la science pour une enquête interdisciplinaire en plein essor.

"Il s'agit essentiellement d'un instantané de l'état actuel des champs, où ces idées commencent à exploser, dans tous les sens, " dit Wolpert.

Dans le journal, Wolpert résume d'abord les idées théoriques pertinentes de la physique et de l'informatique. Il discute ensuite de ce que l'on sait du coût entropique d'une gamme de calculs, de l'effacement d'un seul bit à l'exécution d'une machine de Turing. Il poursuit en montrant comment les percées en physique statistique hors d'équilibre ont permis aux chercheurs de sonder plus formellement ces cas, allant bien au-delà du simple effacement de bits.

Wolpert aborde également les questions soulevées dans cette recherche récente qui suggèrent des défis du monde réel, comme comment concevoir des algorithmes en gardant à l'esprit la conservation de l'énergie. Les systèmes biologiques peuvent-ils, par exemple, servir d'inspiration pour concevoir des ordinateurs avec un coût thermodynamique minimal ?

« Nous sommes surpris et étonnés à bien des égards, " dit Wolpert. En rassemblant l'examen, et coéditer un livre sur le sujet qui devrait sortir plus tard cette année, "nous avons découvert des phénomènes que personne n'avait analysés auparavant et qui nous étaient très naturels, alors que nous poursuivons cette version moderne de la thermodynamique du calcul."