Eine bahnbrechende Entwicklung im Bereich der stochastischen Thermodynamik bietet vielversprechende Einblicke in das Zusammenspiel von Berechnung und Energieeffizienz und könnte im Kampf gegen den Klimawandel helfen. Veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences, enthüllt diese Forschung mathematische Werkzeuge, die die inneren Abläufe von rechnerischen Systemen untersuchen, die weit von der thermischen Gleichgewicht entfernt arbeiten.
Traditionell tritt thermisches Gleichgewicht auf, wenn es keinen Wärmeaustausch zwischen zwei Systemen gibt. Computer, die Energie verbrauchen und während der Informationsverarbeitung Wärme abgeben, funktionieren jedoch in einem Zustand, der weit entfernt von Gleichgewicht ist. Die entscheidende Frage, die die Forscher aufwerfen, ist, wie die für physische Systeme erforderliche Energie zur Durchführung von Berechnungen mit den Einzelheiten dieser Berechnungen zusammenhängt.
Seit über einem Jahrhundert versuchen Physiker und Informatiker, die Kluft zwischen Thermodynamik und Berechnung zu überbrücken, aber bis vor kurzem fehlte ihnen ein rigoroser Rahmen zur Untersuchung solcher Systeme. Die stochastische Thermodynamik hat diese Landschaft verändert und die notwendigen mathematischen Instrumente bereitgestellt, um das Verhalten von nicht im Gleichgewicht befindlichen Systemen über verschiedene Skalen quantitativ zu analysieren.
David Wolpert, Professor am Santa Fe Institute, beschreibt diesen Wandel als eine große Revolution in der nicht im Gleichgewicht befindlichen Physik. Er erklärt: „Es gibt uns Werkzeuge, um alles zu erkunden und zu quantifizieren, was mit Systemen passiert, selbst solchen, die willkürlich weit vom Gleichgewicht entfernt sind.“ Zu diesen Werkzeugen gehören mathematische Theoreme, Unsicherheitsrelationen und thermodynamische Geschwindigkeitsgrenzen, die den Forschern helfen können, die Verbindungen zwischen Energie, Berechnung und Klimaauswirkungen zu untersuchen.
Da die Energieanforderungen für Berechnungen weiter steigen, wird das Verständnis dieser Verluste unerlässlich. Jan Korbel, Postdoktorand am Complexity Science Hub in Wien, betont: „Jede Berechnung in jedem Computer benötigt Energie, von der ein Teil als Wärme verloren geht, wodurch nicht nur das System, sondern auch der Planet erwärmt wird.“
Die Implikationen der stochastischen Thermodynamik gehen über das Rechnen hinaus. Biologische Systeme, wie Zellen und Neuronen, führen ebenfalls Berechnungen außerhalb des Gleichgewichts durch. Wolpert merkt an, dass die gewonnenen Erkenntnisse zu energieeffizienteren Designs für reale Geräte führen könnten und als „verbindender Kleber“ fungieren, der verschiedene wissenschaftliche Bereiche miteinander verbindet.
„Diese Überlegungen fehlten in den Arbeiten der Physiker des 20. Jahrhunderts. Jetzt erlauben sie uns, über die tatsächliche Energiedynamik dieser Systeme nachzudenken“, fügt er hinzu und signalisiert einen transformativen Moment in unserem Verständnis von Energie und Berechnung.