As máquinas de Turing foram propostas pela primeira vez pelo matemático britânico Alan Turing em 1936, e são um modelo matemático teórico do que significa para um sistema "ser um computador".

Em alto nível, essas máquinas são semelhantes aos computadores modernos do mundo real porque têm armazenamento para dados e programas digitais (algo como um disco rígido), uma pequena unidade de processamento central (CPU) para realizar cálculos, e pode ler programas de seu armazenamento, executá-los, e produzir resultados. Surpreendentemente, Turing propôs seu modelo antes que os computadores eletrônicos do mundo real existissem.

Em um artigo publicado na American Physical Society's Pesquisa de revisão física , Os pesquisadores do Santa Fe Institute, Artemy Kolchinsky e David Wolpert, apresentam seu trabalho explorando a termodinâmica da computação no contexto das máquinas de Turing.

"Nosso palpite era que a física das máquinas de Turing mostraria muitas estruturas ricas e inovadoras porque elas têm propriedades especiais que os modelos mais simples de computação não têm, como universalidade, "diz Kolchinsky.

As máquinas de Turing são amplamente consideradas universais, no sentido de que qualquer cálculo feito por qualquer sistema também pode ser feito por uma máquina de Turing.

A busca para encontrar o custo de funcionamento de uma máquina de Turing começou com Wolpert tentando usar a teoria da informação - a quantificação, armazenar, e comunicação de informações - para formalizar o quão complexa é uma determinada operação de um computador. Embora não restrinja sua atenção às máquinas de Turing em si, estava claro que qualquer resultado obtido por ele teria de se aplicar a eles também.

Durante o processo, Wolpert tropeçou no campo da termodinâmica estocástica. "Eu percebi, muito a contragosto, que eu tive que jogar fora o trabalho que fiz tentando reformular a física estatística de não-equilíbrio, e, em vez disso, adote a termodinâmica estocástica, "ele diz." Uma vez que eu fiz isso, Eu tinha as ferramentas para responder à minha pergunta original, reformulando-a como:Em termos de funções de custo de termodinâmica estocástica, qual é o custo de funcionamento de uma máquina de Turing? Em outras palavras, Reformulei minha pergunta como uma termodinâmica do cálculo computacional. "

A termodinâmica da computação é um subcampo da física que explora o que as leis fundamentais da física dizem sobre a relação entre energia e computação. Isso tem implicações importantes para a quantidade mínima absoluta de energia necessária para realizar cálculos.

O trabalho de Wolpert e Kolchinsky mostra que existem relações entre energia e computação que podem ser declaradas em termos de informação algorítmica (que define a informação como comprimento de compressão), em vez de "informações de Shannon" (que define informações como a redução da incerteza sobre o estado do computador).

Dito de outra forma:a energia exigida por um cálculo depende de quão mais compressível é a saída do cálculo do que a entrada. "Para esticar uma analogia de Shakespeare, imagine uma máquina de Turing lendo todas as obras de Shakespeare, e então produz um único soneto, "explica Kolchinsky." A saída tem uma compressão muito mais curta do que a entrada. Qualquer processo físico que realiza essa computação iria, relativamente falando, requerem muita energia. "

Embora importantes trabalhos anteriores também tenham proposto relações entre informações algorítmicas e energia, Wolpert e Kolchinsky derivaram essas relações usando as ferramentas formais da física estatística moderna. Isso permite que eles analisem uma gama mais ampla de cenários e sejam mais precisos sobre as condições sob as quais seus resultados se mantêm do que era possível por pesquisadores anteriores.

"Nossos resultados apontam para novos tipos de relações entre energia e computação, "diz Kolchinsky." Isso amplia nossa compreensão da conexão entre a física contemporânea e a informação, que é uma das áreas de pesquisa mais interessantes da física. "