Stokastisk termodynamikteori är ett ramverk som avgränsar mängden värme, dynamik och entropi i små (dvs. mesoskopiska) system som är långt ifrån ett tillstånd av termodynamisk jämvikt. Under de senaste åren har forskare har försökt använda denna teori för att bättre förstå dynamiken bakom en mängd olika system, inklusive kolloidala partiklar, DNA, RNA, enzymer, molekylära motorer och elektroniska enheter.

I en tidning som nyligen publicerades i Fysiska granskningsbrev , forskare vid Simon Fraser University kombinerade stokastisk termodynamik med en annan konstruktion känd som optimal transportteori, med syftet att avslöja den termodynamiska kostnaden som är förknippad med radering av en enda bit information från en enhet under en bestämd tidsperiod. Optimal transportteori är ett ramverk som introducerades mot slutet av 1700-talet som svarar på frågor som:"Om man måste flytta smuts från hög A till hög B, hur ska den bäras för att minimera den ansträngning som krävs för att transportera den från en plats till en annan?"

För ungefär ett decennium sedan, teoretisk fysiker Erik Aurell och andra forskare insåg att optimal transportteori också kunde användas för att lösa en mängd olika optimeringsproblem med rötter inom termodynamikens område. I deras senaste studie, forskarteamet vid Simon Fraser University utförde beräkningar baserade på en teknik som introducerats av Aurell och hans kollegor.

"Vårt papper är baserat på det allmänna ramverket för stokastisk termodynamik, "Karel Proesmans, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Genom att kombinera denna teori med idéer från teorin om optimal transport, det är möjligt att beräkna den minimala termodynamiska kostnaden för en icke-jämviktsprocess. Vi använde dessa idéer för att generalisera Landauers princip till ändliga processer."

Landauers princip, den primära principen som beskriver termodynamiken för informationsbehandling, sätter en lägre teoretisk gräns för den energi som förbrukas av en enhet när en given beräkning utförs. Den tillhandahåller således också ett specifikt värde som representerar den minsta termodynamiska kostnaden för att radera information från en enhet (d.v.s. kT ln2 per bit, där k är Boltzmann-konstanten och T är temperaturen i den omgivande miljön).

Denna minimikostnad, dock, uppnås vanligtvis endast för operationer som utförs mycket långsamt. I deras studie, å andra sidan, Proesmans och hans kollegor försökte hitta det mest effektiva sättet som möjligt för att snabbt radera en bit från en enhet inom en viss tid.

"Vi har tagit fram protokoll som minimerar det arbete som behövs för att radera lite information under en given tidsperiod, förutsatt att vi har fullständig kontroll över de applicerade krafter som påverkar partikeln, sade Proesmans. Genom att göra det, vi härledde också en enkel nedre gräns för hur mycket arbete som behövs för att radera lite."

Den nyligen genomförda studien som Proesmans och hans kollegor gjorde, ledde till två viktiga resultat. Först, forskarna kunde beräkna nedre och övre gränser för den minsta mängd arbete som behövdes för att radera lite från en enhet. I framtiden, dessa gränser skulle kunna fungera som en referens för att utvärdera prestandan hos toppmoderna enheter och experimentella plattformar. Dessutom, det ramverk som forskarna föreslagit skulle kunna användas för att konstruera optimala protokoll för att radera bitar från elektroniska enheter.

"Än så länge, vi har fokuserat på teoretiska beräkningar, ", sade Proesmans. "Vårt nästa steg kommer att vara att testa vårt bundna på experimentella system. Särskilt, vi kommer att titta på uppställningar som består av kolloidala partiklar i optisk pincett. En annan intressant fråga som vi skulle vilja svara på är hur väl vår gräns förändras när man har begränsad kontroll över systemet."

© 2020 Science X Network