Stochastische thermodynamica theorie is een raamwerk dat de hoeveelheid warmte, dynamiek en entropie in kleine (d.w.z. mesoscopische) systemen die verre van een toestand van thermodynamisch evenwicht zijn. In recente jaren, wetenschappers hebben geprobeerd deze theorie te gebruiken om de onderliggende dynamiek van verschillende systemen beter te begrijpen, inclusief colloïdale deeltjes, DNA, RNA, enzymen, moleculaire motoren en elektronische apparaten.

In een onlangs gepubliceerd artikel in Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers van Simon Fraser University combineerden stochastische thermodynamica met een ander construct dat bekend staat als optimale transporttheorie, met als doel het onthullen van de thermodynamische kosten die gepaard gaan met het wissen van een enkel stukje informatie van een apparaat gedurende een bepaalde tijd. Optimale transporttheorie is een raamwerk dat tegen het einde van de 18e eeuw werd geïntroduceerd en dat vragen beantwoordt als:"Als men vuil van stapel A naar stapel B moet verplaatsen, hoe moet het vervoerd worden om de inspanning die nodig is om het van de ene naar de andere locatie te vervoeren tot een minimum te beperken?"

Ongeveer een decennium geleden, theoretisch fysicus Erik Aurell en andere onderzoekers realiseerden zich dat optimale transporttheorie ook kan worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan optimalisatieproblemen op het gebied van thermodynamica op te lossen. In hun recente studie, het team van onderzoekers van de Simon Fraser University heeft berekeningen uitgevoerd op basis van een techniek die is geïntroduceerd door Aurell en zijn collega's.

"Ons artikel is gebaseerd op het algemene raamwerk van de stochastische thermodynamica, "Karel Proesmans, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Door deze theorie te combineren met ideeën uit de optimale transporttheorie, het is mogelijk om de minimale thermodynamische kosten van een niet-evenwichtsproces te berekenen. We gebruikten deze ideeën om het principe van Landauer te generaliseren naar eindige-tijdprocessen."

het principe van Landauer, het primaire principe dat de thermodynamica van informatieverwerking schetst, stelt een lagere theoretische limiet in voor de energie die door een apparaat wordt verbruikt bij het uitvoeren van een bepaalde berekening. Het biedt dus ook een specifieke waarde die de minimale thermodynamische kosten vertegenwoordigt van het wissen van informatie van een apparaat (d.w.z. kT ln2 per bit, waarbij k de Boltzmann-constante is en T de temperatuur van de omgeving).

Deze minimale kosten, echter, wordt doorgaans alleen bereikt voor bewerkingen die zeer langzaam worden uitgevoerd. In hun studie hebben anderzijds, Proesmans en zijn collega's gingen op zoek naar de meest efficiënte manier om snel binnen een bepaalde tijd een bit van een apparaat te wissen.

"We hebben protocollen afgeleid die het werk minimaliseren dat nodig is om een ​​beetje informatie in een bepaalde tijd te wissen, ervan uitgaande dat we volledige controle hebben over de uitgeoefende krachten die het deeltje beïnvloeden, "Zei Proesmans. "Daardoor, we hebben ook een eenvoudige ondergrens afgeleid voor de hoeveelheid werk die nodig is om een ​​beetje te wissen."

Het recente onderzoek van Proesmans en zijn collega's leidde tot twee belangrijke bevindingen. Eerst, de onderzoekers konden onder- en bovengrenzen berekenen van de minimale hoeveelheid werk die nodig is om een ​​bit van een apparaat te wissen. In de toekomst, deze grenzen kunnen dienen als referentie voor het evalueren van de prestaties van geavanceerde apparaten en experimentele platforms. Bovendien, het door de onderzoekers voorgestelde raamwerk zou kunnen worden gebruikt om optimale protocollen te construeren voor het wissen van bits van elektronische apparaten.

"Tot dusver, we hebben ons geconcentreerd op theoretische berekeningen, " Zei Proesmans. "Onze volgende stap zal zijn om onze grenzen te testen op experimentele systemen. Vooral, we zullen kijken naar opstellingen bestaande uit colloïdale deeltjes in optische pincetten. Een andere interessante vraag die we willen beantwoorden, is hoe goed onze grens verandert wanneer men beperkte controle over het systeem heeft."

© 2020 Wetenschap X Netwerk