Realiseringen af ​​en ny type informationsdæmon, der profiterer på gamblingstrategier

Forskere ved Det Internationale Center for Teoretisk Fysik (ICTP) i Italien og PICO-gruppen ved Aalto Universitet i Finland har introduceret ideen om en informationsdæmon, der følger en sædvanlig spillestrategi for at stoppe ikke-ligevægtsprocesser på stokastiske tidspunkter. De nye dæmoner indså de, som adskiller sig fra den berømte Maxwells dæmon, blev præsenteret i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve .

"Vores forskning var drevet af nysgerrighed, "Gonzalo Manzano, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Vi spurgte os selv om implikationerne af processer, hvis fluktuationer opfylder (eller bryder) nogle stærke egenskaber ved stokastiske processer på forbindelsen mellem termodynamik og information."

Den nylige undersøgelse af Gonzalo Manzano, Edgar Roldan og deres kolleger er baseret på tidligere værker, der undersøger sammenhængen mellem information og termodynamik på det stokastiske niveau. Den henter også inspiration fra nyere forskning, der udforskede egenskaberne af en unik familie af stokastiske processer kendt som martingaler i termodynamikkens kontekst.

Martingales er paradigmatiske eksempler på stokastiske processer, der er blevet brugt på en række forskellige områder, herunder økonomi og matematik. Manzano, Roldan og deres kolleger anvendte viden om martingaler til studiet af termodynamik med det formål at afsløre nye universelle termodynamiske love.

"Vores papir vedrører følgende spørgsmål:Hvad sker der, når man gambler med den information, der er opnået om responsen fra et lille system under en termodynamisk proces uden ligevægt?" Edgar Roldan, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Dette kan formuleres som en 'stoptilstand', hvor spilleren holder op (f.eks. holder op med at spille roulette, når dens indtægter er over eller faldet under et givet beløb)."

Hovedformålet med undersøgelsen udført af Manzano, Roldan og deres kolleger skulle undersøge, i hvilket omfang termodynamikkens love gælder, når man bruger gambling-inspirerede protokoller. For at opnå dette, de videreudviklede martingale teorien om termodynamik, en teoretisk konstruktion, som de introducerede for nogle år siden.

I deres nye undersøgelse, forskerne introducerede ideen om "gambling dæmoner." En gambling dæmon er i bund og grund en ny version af den såkaldte Maxwells dæmon, et idé- og tankeeksperiment introduceret af fysikeren James Clerk Maxwell i 1867. I dette tankeeksperiment, Maxwell viste, at ved at bruge information om et systems mikroskopiske dynamik, det kan være muligt at undergrave termodynamikkens anden lov, som siger, at varme altid vil bevæge sig fra varmt til koldt, indtil det spredes jævnt gennem et system. Det tilsyneladende paradoks har været et aktivt forskningsområde i mange årtier og blev afgjort ved at overveje den fysiske natur af informationen produceret af dæmonen, som ville kræve, at arbejde slettes, efter Landauers princip (først foreslået i 1961).

"I Maxwells originale version, et lille intelligent væsen (dvs. dæmonen) er i stand til at trodse termodynamikkens anden lov ved at observere og manipulere et termodynamisk system på mikroskopisk niveau, " sagde Manzano. "Selv om paradokset kun er tilsyneladende, Maxwells dæmon er stadig af stor interesse i dag, fordi det giver mulighed for at udvinde arbejde til prisen for at producere entropi i form af information. I den nye version, vi presser dæmonen til dens grænser ved at fjerne nogle af hans kræfter."

I deres papir, Manzano, Roldan og deres kolleger overvejede muligheden for, at deres teoretiserede spilledæmon stadig kan observere et systems mikroskopiske dynamik, men ikke kan manipulere det efter forgodtbefindende. I stedet for at manipulere systemet, dæmonen kan kun beslutte at stoppe den termodynamiske proces, når som helst den finder det rigtigt.

"Man kan tro, at denne mindre magtfulde dæmon ikke kan trodse den anden lov, som i Maxwells originale opsætning, da man naivt kan forvente, at dæmonen ikke ville være i stand til at gøre god brug af informationen om systemets mikroskopiske dynamik, " sagde Manzano. "Men, vi har set, at dette ikke er tilfældet, men dæmonen har brug for (i) en god strategi for meningsfuldt at beslutte, hvornår den skal stoppe, og (ii) dynamikken i det pågældende system skal være ikke-stationær (eller mere teknisk, det er nødt til at bryde tids-vendende symmetri) og derfor, der er behov for en vis investering af arbejde."

Manzano, Roldan og deres kolleger udforskede ideen om at spille dæmoner ved at bruge teknikker, der blev brugt til at studere stokastisk og kvantetermodynamik. Mere specifikt, de udledte en universel fluktuationssætning, der relaterer adfærden af ​​relevante termodynamiske størrelser, når stopstrategier anvendes. Dette gjorde det muligt for dem at udforske grænserne for disse stopstrategier. Efterfølgende forskerne bekræftede deres forudsigelser i en række eksperimenter.

"Den eksperimentelle konfiguration af vores samarbejdspartnere på Pekola-laboratoriet bestod af en lille kobber-ø holdt ved en meget lav temperatur (0,67 Kelvin), hvor elektroner fra to aluminiumsledninger kan hoppe, " sagde Manzano. "Desuden, en tidsafhængig spænding påføres den metalliske ø, udføre arbejde i systemet, og sikre, at systemet ikke er stationært."

Ved særligt lave temperaturer, enkelte elektroner, der kommer ind i en metallisk ø, kan tælles individuelt. Ved at tælle elektroner en efter en, forskerne var i stand til at indsamle værdifuld information om et system. Ved at bruge disse oplysninger, de var derefter i stand til at beregne de relevante termodynamiske størrelser og teste stopstrategier.

"Selvom vi ikke stopper systemdynamikken med det samme, de opnåede data giver os mulighed for at analysere effekten af ​​forskellige spilstrategier, der bekræfter vores teoretiske forudsigelser, " sagde Manzano. "Vi finder også, at i denne opsætning, en 'vindende' strategi består i at stoppe dynamikken, hvis der investeres for meget arbejde. Ved at anvende det, vi fandt ud af, at arbejde kan udvindes fra information, overvinde de traditionelle anden lovs grænser."

Forskerne trækker en analogi mellem den dæmon, de introducerede, og casinospil. Ifølge Roldan, "man kunne tænke på en gambler, der spiller roulette og forventede overskud baseret på hans/hendes gode chance for at vinde. Hvis denne person spillede hver dag, indtil kasinoet lukkede, han/hun skulle forvente, at det taber penge. Imidlertid, spilleren kunne også udtænke en strategi, der ville give ham/hende mulighed for at opnå en nettofortjeneste, for eksempel, ved kun at spille, indtil hans/hendes omsætning overstiger en foruddefineret tærskelværdi." Ikke desto mindre, Sådanne strategier virker måske kun, hvis sandsynligheden for tallene i rouletten ændrer sig i løbet af dagen.

"Betragt et lille system nedsænket i et termisk bad, som drives i en fast samlet tid efter en deterministisk ikke-ligevægtsprotokol, " sagde Roldan. "Hvis protokollen altid får lov til at blive fuldført, det arbejde, der udføres på systemet i gennemsnit over mange realiseringer af processen, er større eller lig med dets frie energiændring, som følger af termodynamikkens anden lov. Hvad der sker, imidlertid, når processen stoppes på et tilfældigt tidspunkt efter et givet kriterium (f.eks. en spillestrategi)?"

Idéen kan knyttes til begrebet informationsdæmoner. I forbindelse med termodynamik, for eksempel, Maxwells dæmon fører til tilsyneladende overtrædelser af den anden lov ved at åbne og lukke en port, der adskiller to containere på tilfældige tidspunkter.

"Maxwells dæmon bruger to egenskaber til tilsyneladende at overtræde grænserne for den anden lov, " Roldan forklarede. "For det første, det virker på stokastiske tidspunkter, når en bestemt begivenhed finder sted, en varm/kold partikel kommer tæt på porten. Sekund, den anvender feedbackkontrol, at åbne porten ændrer det dynamikken i processen."

Spilledæmonerne foreslået af Manzano, Roldan og deres kolleger er i det væsentlige enheder, der tillader tilsyneladende overtrædelser af termodynamikkens anden lov ved kun at bruge den første komponent af Maxwells oprindelige dæmonforslag. Denne første komponent er udførelsen af ​​en opgave på et stokastisk tidspunkt. Opløsningen af ​​paradokset følger ikke desto mindre de samme linjer som i den originale version.

"Nøgleideen her er brugen af ​​et meget bestemt sæt strategier inspireret i gambling, der fører til standsning af dynamikken efter et foreskrevet kriterium, " sagde Roldan. "Fordi systemet, som dæmonen handler efter, er lille og påvirket af udsving, tidspunktet, hvor dæmonen stopper, er dynamikken forskellig i hver cyklus. Dette er afgørende for arbejdsudvinding, som vi viser i vores arbejde."

I deres papir, Manzano, Roldan og deres kolleger viser, at den spilledæmon, de indså, kan bruges til at udvinde arbejde fra et termodynamisk system ud over dets frie energiændring. Ved hjælp af martingale teori, de beregnede den gennemsnitlige arbejdsudvinding, som disse dæmoner kan opnå, og testede deres forudsigelser i et eksperiment.

I dette eksperiment, forskerne analyserede tidsseriedata indsamlet ved hjælp af en enkelt-elektron transistor. De anvendte derefter spillestrategier baseret på målinger af det arbejde, der blev udført på transistoren. Med andre ord, når arbejdet overskred en bestemt tærskel, dæmonen stoppede systemets dynamik; Ellers, det fortsatte sin udvikling i et længere (fast) tidsrum.

"Vores arbejde indebærer, at information-til-arbejde konvertering kan realiseres i systemer, hvor en præcis kontrol af dynamikken ikke er tilgængelig, " sagde Manzano. "Dette udvider i høj grad omfanget af Maxwells originale scenarie og tydeliggør de minimale ingredienser, der er nødvendige for at forbinde information og termodynamik."

Ideen om gambling-dæmoner og de universelle uligevægtsrelationer, der er beskrevet i papiret, kan anvendes på en række studieområder. I den specifikke kontekst, som de anvendte det til, dæmonen kunne stoppe et systems dynamik efter en strategi. Imidlertid, de relationer, de beskrev, kunne også anvendes på systemer, hvor dynamikken naturligt stopper, når en specifik betingelse er opfyldt, såsom biologiske systemer.

"Nøgleindsigten i vores undersøgelse er, at i modsætning til troen indtil nu, det er ikke nødvendigt at anvende feedback til at udvinde arbejde ud over den frie energiændring, " sagde Roldan. "Dette kan gøres ved at anvende passende spillestrategier, og vi viser, hvor meget arbejde man kan udvinde fra dem. Især vores resultater tyder på, at mængden af ​​arbejde, man kan udvinde gennem gambling, er begrænset af et mål for tidsasymmetrien i den fysiske proces, så meget irreversibel (langt fra ligevægt) dynamik kan føre til store værdier af arbejdsudvinding, meget som arbitragemuligheder på aktiemarkedet."

I fremtiden, den nye gambling-baserede tilgang foreslået af Manzano, Roldan og deres kolleger kunne bruges til at forbedre effektiviteten af ​​mikroskopiske varmemotorer og motorer. I deres næste studier, forskerne planlægger at analysere de resultater, de har indsamlet fra et kvantefysisk synspunkt. Deres arbejde kan bane vejen for udviklingen af ​​gambling-baserede strategier for forskning og teknologisk udvikling, der overgår mere konventionelle metoder.

"Vi mener, at vores undersøgelse er et første skridt i udviklingen af ​​nye muligheder for effektive energihøstprotokoller på nanoskala, som kan bruge vores grundlæggende viden om, hvordan man kan drage fordel af udsving ved hjælp af smarte informationsbehandlingsstrategier, " sagde Roldan.

© 2021 Science X Network