Un desarrollo innovador en el campo de la termodinámica estocástica ofrece perspectivas prometedoras sobre la interacción entre el cálculo y la eficiencia energética, lo que podría ayudar en la lucha contra el cambio climático. Publicada en los Proceedings of the National Academy of Sciences, esta investigación revela herramientas matemáticas que exploran el funcionamiento interno de los sistemas computacionales que operan lejos del equilibrio térmico.
Tradicionalmente, el equilibrio térmico ocurre cuando no hay intercambio de calor entre dos sistemas. Sin embargo, las computadoras, que consumen energía y emiten calor durante el procesamiento de información, funcionan en un estado que está muy alejado del equilibrio. La cuestión crítica que plantean los investigadores es cómo la energía necesaria para que los sistemas físicos realicen cálculos se relaciona con los detalles de esos cálculos.
Durante más de un siglo, físicos y científicos de la computación han tratado de unir la termodinámica y el cálculo, pero hasta hace poco carecían de un marco riguroso para estudiar tales sistemas. La termodinámica estocástica ha cambiado este panorama, proporcionando los instrumentos matemáticos necesarios para analizar cuantitativamente el comportamiento de los sistemas no equilibrados en diversas escalas.
David Wolpert, profesor en el Instituto Santa Fe, describe este cambio como una gran revolución en la física no equilibrada. Él afirma: “Nos da herramientas para explorar y cuantificar todo lo que sucede con los sistemas, incluso aquellos arbitrariamente alejados del equilibrio.” Estas herramientas incluyen teoremas matemáticos, relaciones de incertidumbre y límites de velocidad termodinámica, que pueden ayudar a los investigadores a investigar las conexiones entre energía, cálculo y el impacto climático.
A medida que las demandas de energía para los cálculos continúan aumentando, comprender estas pérdidas se vuelve imperativo. Jan Korbel, investigador postdoctoral en el Complexity Science Hub de Viena, enfatiza: “Cada cálculo en cada computadora requiere energía, parte de la cual se pierde en forma de calor, calentando no solo el sistema, sino también el planeta.”
Las implicaciones de la termodinámica estocástica se extienden más allá de la computación. Los sistemas biológicos, como las células y las neuronas, también realizan cálculos fuera del equilibrio. Wolpert señala que los conocimientos adquiridos podrían llevar a diseños más energéticamente eficientes para dispositivos del mundo real, actuando como un “pegamento unificador” que conecta varios dominios científicos.
“Estas consideraciones estaban ausentes en los trabajos de los físicos del siglo XX. Ahora nos permiten pensar en la dinámica energética real de estos sistemas”, agrega, señalando un momento transformador en nuestra comprensión de la energía y el cálculo.