物理學與信息論（源於量子力學的中心原理）合流了：說到底，離散是自然的本性；壹個自然系統可以用有限的比特值來描述。在系統內，每個粒子的行為正像壹臺計算機的邏輯門。它的自旋“軸”能指向兩個方向中的壹個，因此可以編碼壹個比特，並且可以翻轉，由此執行壹個簡單的計算操作。
系統在時間上也是離散的。傳遞壹個比特所取時間是最小量值。精確量值由壹個定理所給出，該定理是由信息處理物理學的兩位先驅所命名的：壹位是美國麻省理工學院的Normam Margolus，另壹位是波士頓大學的Lev Levitin。該定理與海森堡的測不準原理相關聯（測不準原理描述了諸如對位置與動量或者時間與能量兩個相關物理量進行測量時，存在著固有的折衷取舍）。它聲稱，傳遞壹個比特所取時間t，依賴於妳所施加的能量E，施加的能量愈多，時間則可能愈短。數學表達式是T≥h/4E，其中h是普朗克常數（量子理論的主要參數）。例如，壹種類型的實驗量子計算機用質子來存儲信息比特，而用磁場來翻轉各比特值,這些運算是在由Margolus－Levitin定理所允許的最小時間內發生的。
從這個定理出發，可以推導出包括時空的幾何極限到整個宇宙的計算能力在內的大量結論。作為預習，試考慮普通物質的計算能力的極限——在此情況內，取占有壹升體積的壹千克物質，我們且稱其為“極端掌上計算機”。 怎樣才算壹臺計算機？這是壹個復雜得驚人的問題。不論妳如何精確地定義，它都不只是那些人們通常稱為“計算機”的東西，而可以是世界上的任何物體。自然界的物體能解決廣義的邏輯和數學問題，盡管它們的輸入和輸出可能不是對人類有意義的那種形式。自然計算機具有內在的數字性：以離散的量子態存儲數據，如基本粒子的自旋。它們的指令集合是量子物理學。
粒子無論何時發生相互作用，都會引起彼此取向的翻轉。這壹過程可以借助於諸如C或Java等編程語言來想像：粒子就是壹些變量，它們的相互作用就是諸如加法等運算行為。每壹比特信息在每秒鐘內能翻轉10^20次，這等效於時鐘速度為100GG赫茲。事實上，系統變化太快，不能由中心時鐘來控制。將壹個數位比特翻轉所用時間，近似等於從壹個數位將信號傳送到相鄰數位的時間。因此，極端便掌上計算機是高度平行運作的：它的運行不像單壹處理器，而是像多個處理器的壹個巨大陣列；每個處理器的工作幾乎獨立，並將其運算結果傳送到其他相對較慢的處理器上。
比較來看，壹臺常規計算機每秒鐘翻轉其信息比特大約10^9次，存儲約10^12比特的信息，且只包含單壹的處理器。如果摩爾定律能夠保持的話，妳的後世子孫將有可能在23世紀中期買到壹臺極端掌上計算機。工程師們將找到精確控制等離子體內粒子相互作用的方法，而該等離子體要比太陽的核心還要熱，而且控制計算機和糾錯將占用許多通訊帶寬。工程師們也可能已經解決了某些節點封裝的問題。
在某種意義上，如果妳認對了人，妳事實上已經能夠買到這樣的裝置。壹千克的壹塊物質完全轉化為能量——這正是壹顆2000萬噸級氫彈的工作定義。爆炸的核武器正在處理巨量的信息，其初始結構給出其輸入，其輻射給出其輸出。 如果任何壹塊物質都可看作壹臺計算機的話，那麽壹個黑洞就正是壹臺壓縮到最小尺寸的計算機。隨著計算機的縮小，其部件之間的相互引力就增大，直至最終增大到沒有物體能夠逃逸出去。黑洞的尺寸（稱為Schwarzschild半徑）正比於它的質量。
壹千克質量的黑洞有著大約10^-27米的半徑（壹個質子的半徑是10*-15米）。壓縮後的計算機並未改變其能量內容，因此它能像以前壹樣每秒執行10*51次運算。發生改變的僅是它的存儲容量。當引力小到可忽略時，總存儲容量正比於粒子數，也正比於體積。而當引力起支配作用時，它使各粒子之間相互聯結，因此它們整體上所能存儲的信息容量就較少。壹個黑洞的總存儲容量正比於它的表面積。1970年代，霍金和以色列希伯萊大學的Jacob Bekenstein計算壹千克質量的黑洞能夠記錄大約10*16個比特的信息，比壓縮前要少得多。
因為存儲的信息量少，黑洞是個快得多的處理器。它傳遞壹個比特所用的時間是10^-35秒，等於光從計算機壹邊傳到另壹邊所用的時間。因此，較之高度並行的極端掌上計算機，黑洞是個串行計算機，它的行為如同壹個獨立的單元。 黑洞計算機的輸出采取霍金輻射的形式。如果壹個壹千克質量的黑洞放出霍金輻射，為了維持輻射能量，其質量將迅速衰減，在10*-21秒內完全消失。輻射的峰值波長等於黑洞的半徑，對於壹千克質量的黑洞，這壹波長等於極強烈的伽瑪射線的波長。粒子檢測器能夠俘獲並解碼此輻射，為人類所用。
霍金對於黑洞輻射的研究，使他的名字跟這壹輻射連在了壹起。他推翻了人們認為沒有任何東西可逃出黑洞的傳統知識。黑洞的輻射速率與其尺寸成反比，因此，諸如星系中心的那些大黑洞的能量損失，比它們吞噬物質要慢得多。然而，在將來實驗人員可能在粒子加速器內創造某些微小黑洞，這些黑洞將隨著壹陣輻射而爆炸。壹個黑洞可不被看作是固定的物體，而被看作是以最大可能速率執行運算的物質的短暫集合。
根據宇宙所包含的總能量，勞埃德算出宇宙計算機可以執行10的10120次基本運算。而它能存儲的信息則大約有10的1090次比特。如果考慮到所謂的“引力自由度”，那麽宇宙計算機還有潛力可挖：存儲容量提高到10的10120次比特。這大約相當於10的10103次塊10G容量的硬盤，不過，我們似乎沒法制造出這麽多硬盤，因為宇宙大約只有10的1080次個基本粒子。