Por décadas, os físicos têm lutado para entender o custo termodinâmico da manipulação de informações, o que agora chamaríamos de computação. Quanta energia é necessária, por exemplo, apagar um único bit de um computador? E as operações mais complicadas? Estes são urgentes, questões práticas, como computadores artificiais são consumidores de energia, reivindicando cerca de quatro por cento do total de energia consumida nos Estados Unidos.

Essas questões não se limitam às máquinas digitais construídas por nós. O cérebro humano pode ser visto como um computador - que engole cerca de 10 a 20 por cento de todas as calorias que uma pessoa consome. Células vivas, também, podem ser vistos como computadores, mas os computadores que "são muito mais eficientes" do que qualquer laptop ou smartphone que os humanos construíram, diz David Wolpert, do Santa Fe Institute.

Wolpert, um matemático, físico, e cientista da computação, tem estado na linha de frente de um rápido ressurgimento do interesse em uma compreensão profunda do custo de energia da computação. Essa pesquisa agora está atingindo seu ritmo, graças aos avanços no uso de algumas ferramentas revolucionárias recentemente desenvolvidas na física estatística, a fim de compreender o comportamento termodinâmico de sistemas de não-equilíbrio. A razão pela qual essas ferramentas são tão importantes é que os computadores são decididamente sistemas de não-equilíbrio. (Desconecte seu laptop e espere que ele atinja o equilíbrio, e veja se ainda funciona.) Embora Wolpert aborde principalmente essas questões usando ferramentas da ciência da computação e da física, também há grande interesse de pesquisadores de outras áreas, incluindo aqueles que estudam reações químicas, biologia celular, e neurobiologia.

Contudo, pesquisas em física estatística de não-equilíbrio acontecem em grande parte em silos, diz Wolpert. Em uma revisão publicada hoje no Journal of Physics A , Wolpert reúne avanços recentes na compreensão da termodinâmica da computação, baseados na ciência da computação e na física. A revisão funciona como uma espécie de relatório do estado da ciência para uma investigação interdisciplinar em expansão.

“É basicamente um instantâneo do estado atual dos campos, onde essas ideias estão começando a explodir, em todas as direções, "diz Wolpert.

No papel, Wolpert primeiro resume as idéias teóricas relevantes da física e da ciência da computação. Ele então discute o que se sabe sobre o custo entrópico de uma série de cálculos, desde apagar um único bit até operar uma máquina de Turing. Ele passa a mostrar como avanços na física estatística de não-equilíbrio permitiram aos pesquisadores sondar mais formalmente esses casos - indo muito além do simples apagamento de bits.

Wolpert também toca nas questões levantadas nesta pesquisa recente que sugere desafios do mundo real, por exemplo, como projetar algoritmos com a conservação de energia em mente. Podem os sistemas biológicos, por exemplo, servir de inspiração para projetar computadores com custo termodinâmico mínimo?

"Estamos sendo surpreendidos e maravilhados de várias maneiras, "Wolpert diz. Ao fazer a revisão, e co-editando um livro sobre o assunto que será lançado ainda este ano, "descobrimos fenômenos que ninguém tinha analisado antes que eram muito naturais para nós, à medida que buscamos esta versão moderna da termodinâmica da computação. "