En protokol til at minimere de termodynamiske omkostninger ved sletning af en enkelt bit over en given tid

Stokastisk termodynamik teori er en ramme, der afgrænser mængden af ​​varme, dynamik og entropi i små (dvs. mesoskopiske) systemer, der er langt fra en tilstand af termodynamisk ligevægt. I de seneste år, forskere har forsøgt at bruge denne teori til bedre at forstå dynamikken bag en række systemer, herunder kolloidale partikler, DNA, RNA, enzymer, molekylære motorer og elektroniske enheder.

I et papir, der for nylig blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , forskere ved Simon Fraser University kombinerede stokastisk termodynamik med en anden konstruktion kendt som optimal transportteori, med det formål at afsløre de termodynamiske omkostninger forbundet med sletning af en enkelt bit information fra en enhed over en bestemt tid. Optimal transportteori er en ramme indført mod slutningen af ​​1700 -tallet, der besvarer spørgsmål som:"Hvis man skal flytte snavs fra bunke A til bunke B, hvordan skal den udføres for at minimere den krævede indsats for at transportere den fra et sted til et andet? "

For cirka et årti siden, teoretisk fysiker Erik Aurell og andre forskere indså, at optimal transportteori også kunne bruges til at løse en række optimeringsproblemer med rod i termodynamikken. I deres seneste undersøgelse, forskerteamet ved Simon Fraser University udførte beregninger baseret på en teknik introduceret af Aurell og hans kolleger.

"Vores papir er baseret på de generelle rammer for stokastisk termodynamik, "Karel Proesmans, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Ved at kombinere denne teori med ideer fra optimal transportteori, det er muligt at beregne de mindste termodynamiske omkostninger ved en ikke-ligevægtsproces. Vi brugte disse ideer til at generalisere Landauer's princip til processer med begrænset tid. "

Landauers princip, det primære princip, der skitserer termodynamikken i informationsbehandling, sætter en lavere teoretisk grænse for den energi, der forbruges af en enhed, når der udføres en given beregning. Det giver således også en specifik værdi, der repræsenterer de mindste termodynamiske omkostninger ved sletning af information fra en enhed (dvs. kT ln2 pr. bit, hvor k er Boltzmann -konstanten og T er temperaturen i det omgivende miljø).

Denne minimumsomkostning, imidlertid, opnås typisk kun for operationer, der udføres meget langsomt. I deres undersøgelse, på den anden side, Proesmans og hans kolleger satte sig for at identificere den mest effektive måde at slette lidt fra en enhed hurtigt inden for en bestemt tid.

"Vi har udledt protokoller, der minimerer det arbejde, der er nødvendigt for at slette lidt information på en given tid, forudsat at vi har fuldstændig kontrol over de påførte kræfter, der påvirker partiklen, "Sagde Proesmans." Ved at gøre dette, Vi har også afledt en simpel nedre grænse for mængden af ​​arbejde, der er nødvendigt for at slette lidt. "

Den nylige undersøgelse foretaget af Proesmans og hans kolleger førte til to vigtige fund. Først, forskerne var i stand til at beregne nedre og øvre grænser for den mindste mængde arbejde, der er nødvendigt for at slette lidt fra en enhed. I fremtiden, disse grænser kunne tjene som en reference til evaluering af ydeevnen for topmoderne enheder og eksperimentelle platforme. I øvrigt, de rammer forskerne foreslår, kan bruges til at konstruere optimale protokoller til sletning af bits fra elektroniske enheder.

"Indtil nu, vi har fokuseret på teoretiske beregninger, "Proesmans sagde." Vores næste trin vil være at teste vores bånd på eksperimentelle systemer. I særdeleshed, vi vil se på opsætninger bestående af kolloide partikler i optisk pincet. Et andet interessant spørgsmål, som vi gerne vil besvare, er, hvor godt vores bund ændres, når man har begrænset kontrol over systemet. "

© 2020 Science X Network