Informationsbehandling kräver mycket energi. Energibesparande datorsystem kan göra datoranvändningen mer effektiv, men effektiviteten hos dessa system kan inte ökas i det oändliga, som ETH-fysiker visar.

När ångmaskiner blev allt mer utbredda på 1800-talet, frågan uppstod snart om hur man skulle optimera dem. Termodynamik, den fysikaliska teorin som blev resultatet av studiet av dessa maskiner, visade sig vara ett extremt fruktbart tillvägagångssätt; det är fortfarande ett centralt begrepp i optimeringen av energianvändningen i värmemotorer.

Värme är en kritisk faktor

Även i dagens informationsålder, fysiker och ingenjörer hoppas kunna använda sig av denna teori; det blir allt tydligare att klockfrekvensen eller antalet använda chips inte är de begränsande faktorerna för en dators prestanda, utan snarare dess energiomsättning. "Prestandan hos ett datorcenter beror främst på hur mycket värme som kan avledas, säger Renato Renner, Professor i teoretisk fysik och chef för forskargruppen för kvantinformationsteori.

Renners uttalande kan illustreras av Bitcoin-boomen:det är inte själva datorkapaciteten, men den orimliga energianvändningen – som producerar en enorm mängd värme – och de tillhörande kostnaderna som har blivit avgörande faktorer för kryptovalutans framtid. Datorernas energiförbrukning har också blivit en betydande kostnadsdrivare på andra områden.

För informationsbehandling, frågan om att genomföra beräkningsoperationer så effektivt som möjligt i termodynamiska termer blir allt angelägen – eller för att uttrycka det på ett annat sätt:hur kan vi utföra flest antal beräkningsoperationer med minsta möjliga energi? Som med ångmaskiner, kylskåp och gasturbiner, en grundläggande princip är i fråga här:kan effektiviteten ökas i det oändliga, eller finns det en fysisk gräns som i princip inte kan överskridas?

Att kombinera två teorier

För ETH-professor Renner, svaret är tydligt:​​det finns en sådan gräns. Tillsammans med sin doktorand Philippe Faist, som nu är postdoc vid Caltech, visade han i en studie som snart skulle dyka upp i Fysisk granskning X att effektiviteten i informationsbehandlingen inte kan ökas på obestämd tid – och inte bara i datorcenter som används för att beräkna väderprognoser eller behandla betalningar, men också inom biologi, till exempel när man konverterar bilder i hjärnan eller reproducerar genetisk information i celler. De två fysikerna identifierade också de avgörande faktorerna som bestämmer gränsen.

"Vårt arbete kombinerar två teorier som, vid första ögonkastet, har inget med varandra att göra:termodynamik, som beskriver omvandlingen av värme i mekaniska processer, och informationsteori, som handlar om principerna för informationsbehandling, " förklarar Renner.

Sambandet mellan de två teorierna antyds av en formell nyfikenhet:informationsteori använder en matematisk term som formellt liknar definitionen av entropi inom termodynamiken. Det är därför som termen entropi också används i informationsteori. Renner och Faist har nu visat att denna formella likhet går djupare än vad man skulle anta vid första anblicken.

Inga fasta gränser

I synnerhet, effektivitetsgränsen för behandlingen av information är inte fastställd, men kan påverkas:ju bättre du förstår ett system, ju mer exakt du kan skräddarsy programvaran till chipdesignen, och desto effektivare kommer informationen att behandlas. Det är precis vad som görs idag inom högpresterande datoranvändning. "I framtiden, programmerare måste också ta hänsyn till datorernas termodynamik, " säger Renner. "Den avgörande faktorn är inte att minimera antalet datoroperationer, men implementera algoritmer som använder så lite energi som möjligt."

Utvecklare kan också använda biologiska system som ett riktmärke här:"Olika studier har visat att våra muskler fungerar mycket effektivt i termodynamiska termer, " förklarar Renner. "Det skulle nu vara intressant att veta hur väl vår hjärna presterar när det gäller att bearbeta signaler."

Så nära det optimala som möjligt

Som kvantfysiker, Renners fokus på denna fråga är ingen slump:med kvanttermodynamik, ett nytt forskningsfält har vuxit fram de senaste åren som har särskild relevans för konstruktionen av kvantdatorer. "Det är känt att qubits, som kommer att användas av framtida kvantdatorer för att utföra beräkningar, måste arbeta nära det termodynamiska optimum för att fördröja dekoherens, " säger Renner. "Det här fenomenet är ett stort problem när man konstruerar kvantdatorer, eftersom det förhindrar kvantmekaniska överlagringstillstånd från att bibehållas tillräckligt länge för att användas för beräkningsoperationer."