理解计算的物理成本：计算热力学的突破

​计算的热力学是一个交叉非平衡热力学和计算机科学的迷人领域。它旨在理解计算的物理极限，特别是计算过程中涉及的能量需求和耗散。对具有绝对不可逆性、单向转换和随机计算时间的计算热力学的研究是该领域的重要进展，解决了现实世界的计算挑战。

绝对不可逆性指的是无法逆转的过程，意味着一旦发生，系统无法返回到初始状态。这个概念在理解计算过程中的能量耗散方面至关重要，因为不可逆操作通常需要做功，导致产生热量。

单向转换是只朝一个方向进行的过程。在计算的背景下，这可能意味着从一个状态转换到另一个状态，而没有返回到原始状态的可能性。这类似于计算机科学中的单向函数，计算一个方向很容易，但很难逆转。

随机计算时间意味着完成计算的时间不是固定的，而是根据概率分布变化。这是许多计算过程的真实表示，其中计算时间可以依赖于各种因素，而不是确定性的。

兰道尔原理和现实世界中的计算

该领域的一块基石是1961年制定的兰道尔原理。它假设擦除1位信息需要至少耗散kT ln(2)的能量，其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。该原理强调了与计算相关的固有能量成本。但是，它假设了一个非常具体的场景：可逆计算，其中信息擦除可以完美撤销。

实际上，大多数计算本质上是不可逆的。数据擦除是一条单行道，涉及的过程通常会产生热量，而热量无法完全回收。此外，现实世界系统中的计算时间通常是随机的，这意味着它们会呈现随机变化。这些因素使兰道尔原理难以应用于实际计算。

新理论框架

最新发表在《物理评论X》的论文在开发计算的热力学理论方面取得了进展，解决了这些方面的问题。它承认了现实世界计算的绝对不可逆性和单向性。此外，它将随机性纳入分析。为了解决这些复杂性，作者引入了一个基于非平衡热力学的鞅理论框架。该理论特别适用于分析非平稳系统，这正是计算的典型情况。

在该基础上，该论文得出了一些关键结果，一个重要的结果是建立了通用涨落关系。这些关系将耗散热的概率分布与底层计算联系起来。无论计算的具体细节如何它都成立，只要它符合框架的约束。

另一个重要贡献是推导了类第二定律不等式。这些不等式为与任何计算（即使具有随机执行时间）相关的固有能量耗散提供了上下限。这允许研究人员量化特定计算过程中固有的能量浪费。

意义与未来

这些发现具有重要意义，它们为更全面地理解现实世界系统中计算的热力学成本铺平了道路。通过量化固有能量耗散并建立其边界，研究人员可以从热力学角度确定优化计算的策略。这可能会导致更节能的计算架构的发展。

尽管取得了进步，但该领域仍在不断发展。一个关键问题是将框架扩展到非周期性过程。大多数计算都不是严格的周期性的，理解它们的热力学仍然是一个开放的挑战。此外，将不同计算范式(如量子计算)的细节纳入框架可能会带来新的见解。