Forskare vid International Centre for Theoretical Physics (ICTP) i Italien och PICO-gruppen vid Aalto-universitetet i Finland har introducerat idén om en informationsdemon som följer en sedvanlig spelstrategi för att stoppa processer som inte är i jämvikt vid stokastiska tider. De nya demonerna de insåg, som skiljer sig från den berömda Maxwells demon, presenterades i en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev .

"Vår forskning drevs av nyfikenhet, "Gonzalo Manzano, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vi frågade oss själva om implikationerna av processer vars fluktuationer uppfyller (eller bryter) några starka egenskaper hos stokastiska processer på kopplingen mellan termodynamik och information."

Den senaste studien av Gonzalo Manzano, Edgar Roldan och deras kollegor bygger på tidigare arbeten som undersöker kopplingen mellan information och termodynamik på stokastisk nivå. Den hämtar också inspiration från nyare forskning som utforskade egenskaperna hos en unik familj av stokastiska processer som kallas martingaler i termodynamikens sammanhang.

Martingales är paradigmatiska exempel på stokastiska processer som har använts inom en mängd olika områden, inklusive ekonomi och matematik. Manzano, Roldan och deras kollegor tillämpade kunskap om martingaler för studier av termodynamik med syftet att avslöja nya universella termodynamiska lagar.

"Vårt papper handlar om följande frågor:Vad händer när man spelar med den information som erhållits om svaret från ett litet system under en termodynamisk process utan jämvikt?" Edgar Roldan, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "Detta kan formuleras som ett "stopp"-tillstånd där spelaren slutar (t.ex. slutar spela roulette när dess intäkter har överskridit eller sjunkit under ett givet belopp)."

Huvudsyftet med studien utförd av Manzano, Roldan och deras kollegor skulle undersöka i vilken utsträckning termodynamikens lagar gäller när man använder spelinspirerade protokoll. För att uppnå detta, de vidareutvecklade martingaleteorin om termodynamiken, en teoretisk konstruktion som de introducerade för några år sedan.

I deras nya studie, forskarna introducerade idén om "speldemoner". En speldemon är i grunden en ny version av den så kallade Maxwells demon, ett idé- och tankeexperiment som introducerades av fysikern James Clerk Maxwell 1867. I detta tankeexperiment, Maxwell visade att genom att använda information om den mikroskopiska dynamiken i ett system, det kan vara möjligt att undergräva termodynamikens andra lag, som säger att värme alltid kommer att gå från varmt till kallt tills det sprids jämnt genom ett system. Den uppenbara paradoxen har varit ett aktivt forskningsområde i många decennier och löstes genom att överväga den fysiska karaktären hos informationen som produceras av demonen, som skulle kräva att arbete raderas, enligt Landauers princip (föreslog först 1961).

"I Maxwells originalversion, en liten intelligent varelse (dvs. demonen) kan trotsa termodynamikens andra lag genom att observera och manipulera ett termodynamiskt system på mikroskopisk nivå, ", sa Manzano. "Även om paradoxen bara är uppenbar, Maxwells demon är fortfarande av stort intresse idag, eftersom det tillåter utvinning av arbete till priset av att producera entropi i form av information. I den nya versionen, vi pressar demonen till dess gränser genom att ta bort några av hans krafter."

I deras papper, Manzano, Roldan och deras kollegor övervägde möjligheten att deras teoretiserade speldemon fortfarande kan observera den mikroskopiska dynamiken i ett system men inte kan manipulera det efter behag. Istället för att manipulera systemet, demonen kan bara bestämma sig för att stoppa den termodynamiska processen när som helst den anser vara rätt.

"Man kan tro att denna mindre kraftfulla demon inte kan trotsa den andra lagen, som i Maxwells ursprungliga installation, eftersom man naivt kan förvänta sig att demonen inte skulle kunna dra nytta av informationen om systemets mikroskopiska dynamik, " sade Manzano. "Men, vi har sett att så inte är fallet, men demonen behöver (i) en bra strategi för att meningsfullt bestämma när den ska sluta, och (ii) dynamiken i det aktuella systemet måste vara icke-stationär (eller mer tekniskt, den behöver bryta tidsomkastningssymmetri) och därför, det krävs en del investering av arbete."

Manzano, Roldan och deras kollegor utforskade idén om att spela demoner med hjälp av tekniker som används för att studera stokastisk och kvanttermodynamik. Mer specifikt, de härledde ett universellt fluktuationssats som relaterar beteendet hos relevanta termodynamiska storheter när stoppstrategier tillämpas. Detta gjorde det möjligt för dem att utforska gränserna för dessa stoppstrategier. Senare, forskarna verifierade sina förutsägelser i en serie experiment.

"Den experimentella konfigurationen av våra medarbetare vid Pekola-labbet bestod av en liten kopparö som hölls vid en mycket låg temperatur (0,67 Kelvin) där elektroner från två aluminiumledningar kan hoppa, sade Manzano. Dessutom, en tidsberoende spänning appliceras på den metalliska ön, utföra arbete i systemet, och se till att systemet inte är stationärt."

Vid särskilt låga temperaturer, enstaka elektroner som kommer in i en metallisk ö kan räknas individuellt. Genom att räkna elektroner en efter en, forskarna kunde samla in värdefull information om ett system. Med hjälp av denna information, de kunde sedan beräkna de relevanta termodynamiska kvantiteterna och testa stoppstrategier.

"Även om vi inte stoppar systemdynamiken i farten, de erhållna uppgifterna tillåter oss att analysera effekten av olika spelstrategier som bekräftar våra teoretiska förutsägelser, " Sa Manzano. "Vi finner också att i den här installationen, en "vinnande" strategi består i att stoppa dynamiken om för mycket arbete satsas. Att tillämpa det, vi fann att arbete kan extraheras från information, övervinna de traditionella andra lagens gränser."

Forskarna drar en analogi mellan demonen de introducerade och kasinospel. Enligt Roldan, "man skulle kunna tänka sig en spelare som spelar roulette och förväntar sig vinst baserat på hans/hennes goda chans att vinna. Om denna person spelade varje dag tills kasinot stängde, han/hon bör förvänta sig att förlora pengar. Dock, spelaren kan också utforma en strategi som gör det möjligt för honom/henne att göra en nettovinst, till exempel, genom att bara spela tills hans/hennes intäkter överstiger ett fördefinierat tröskelvärde." sådana strategier kanske bara fungerar om sannolikheterna för siffrorna i rouletten ändras under dagen.

"Tänk på ett litet system nedsänkt i ett termiskt bad som drivs under en fast total tid enligt ett deterministiskt icke-jämviktsprotokoll, " sa Roldan. "Om protokollet alltid är tillåtet att slutföras, det arbete som gjorts på systemet i genomsnitt över många realiseringar av processen är större eller lika med dess fria energiförändring, som följer av termodynamikens andra lag. Vad händer, dock, när processen stoppas vid en slumpmässig tidpunkt efter ett givet kriterium (t.ex. en spelstrategi)?"

Idén kan kopplas till begreppet informationsdemoner. I termodynamikens sammanhang, till exempel, Maxwells demon leder till uppenbara brott mot den andra lagen genom att öppna och stänga en grind som skiljer två containrar åt vid slumpmässiga tillfällen.

"Maxwells demon använder två egenskaper för att till synes bryta mot gränserna för den andra lagen, " förklarade Roldan. "Först, det agerar vid stokastiska tider när en specifik händelse äger rum, en varm/kall partikel kommer nära porten. Andra, den tillämpar återkopplingskontroll, genom att öppna porten förändras processens dynamik."

Speldemonerna föreslagna av Manzano, Roldan och deras kollegor är i huvudsak enheter som tillåter uppenbara brott mot termodynamikens andra lag med endast den första komponenten i Maxwells ursprungliga demonförslag. Denna första komponent är utförandet av en uppgift vid en stokastisk tidpunkt. Paradoxens upplösning följer ändå samma linjer som den gör i originalversionen.

"Nyckelidén här är användningen av en mycket speciell uppsättning strategier inspirerade i spel som leder till att dynamiken upphör enligt ett föreskrivet kriterium, ", sa Roldan. "Eftersom systemet som demonen verkar på är litet och påverkat av fluktuationer, tidpunkten då demonen stoppar dynamiken är olika i varje cykel. Detta är avgörande för arbetsutvinning, som vi visar i vårt arbete."

I deras papper, Manzano, Roldan och deras kollegor visar att den speldemon som de insåg kan användas för att extrahera arbete från ett termodynamiskt system bortom dess fria energiförändring. Genom att använda martingaleori, de beräknade den genomsnittliga arbetsextraktionen som dessa demoner kan uppnå och testade sina förutsägelser i ett experiment.

I detta experiment, forskarna analyserade tidsseriedata som samlats in med en enkelelektrontransistor. De tillämpade sedan spelstrategier baserade på mätningar av det arbete som gjorts med transistorn. Med andra ord, när arbetet översteg en viss tröskel, demonen stoppade systemets dynamik; annat, den fortsatte sin utveckling under en längre (fast) tid.

"Vårt arbete innebär att information-till-verk-konvertering kan realiseras i system där en exakt kontroll av dynamiken inte är tillgänglig, ", sa Manzano. "Detta utökar omfattningen av Maxwells ursprungliga scenario och klargör de minimala ingredienser som behövs för att länka information och termodynamik."

Idén om speldemoner och de universella ojämviktsförhållandena som beskrivs i artikeln skulle kunna tillämpas på ett antal studieområden. I det specifika sammanhang som de tillämpade det på, demonen kunde stoppa ett systems dynamik efter en strategi. Dock, de relationer de beskrev skulle också kunna tillämpas på system där dynamiken naturligt upphör när ett specifikt villkor är uppfyllt, såsom biologiska system.

"Nyckelinsikten i vår studie är att i motsats till trosuppfattningar fram till nu, det är inte nödvändigt att använda feedback för att utvinna arbete utöver den fria energiförändringen, ", sa Roldan. "Detta kan göras genom att tillämpa lämpliga spelstrategier och vi visar hur mycket arbete man kan extrahera från dem. I synnerhet, våra fynd tyder på att mängden arbete man kan utvinna genom spel begränsas av ett mått på tidsasymmetrin i den fysiska processen, så mycket irreversibel (långt ifrån jämvikt) dynamik kan leda till stora värden av arbetsutvinning, ungefär som arbitragemöjligheter på aktiemarknaden."

I framtiden, den nya spelbaserade strategin som föreslagits av Manzano, Roldan och deras kollegor skulle kunna användas för att förbättra effektiviteten hos mikroskopiska värmemotorer och motorer. I sina nästa studier, forskarna planerar att analysera resultaten de samlat in ur en kvantfysisk synvinkel. Deras arbete kan bana väg för utveckling av spelbaserade strategier för forskning och teknikutveckling som överträffar mer konventionella metoder.

"Vi tror att vår studie är ett första steg i utvecklingen av nya möjligheter för effektiva energiskördsprotokoll på nanoskala, som kan använda vår grundläggande kunskap om hur man drar nytta av fluktuationer med hjälp av smarta informationsbehandlingsstrategier, sa Roldan.

© 2021 Science X Network