Onderzoekers van het International Centre for Theoretical Physics (ICTP) in Italië en de PICO-groep van de Aalto University in Finland hebben het idee geïntroduceerd van een informatiedemon die een gebruikelijke gokstrategie volgt om niet-evenwichtsprocessen op stochastische tijden te stoppen. De nieuwe demonen die ze realiseerden, die verschillen van de beroemde demon van Maxwell, werden gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Ons onderzoek werd gedreven door nieuwsgierigheid, "Gonzalo Manzano, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "We vroegen ons af wat de implicaties zijn van processen waarvan de fluctuaties een aantal sterke eigenschappen van stochastische processen vervullen (of breken) op het verband tussen thermodynamica en informatie."

De recente studie van Gonzalo Manzano, Edgar Roldan en hun collega's is gebaseerd op eerdere werken die het verband tussen informatie en thermodynamica op stochastisch niveau onderzoeken. Het haalt ook inspiratie uit recent onderzoek waarin de eigenschappen van een unieke familie van stochastische processen, bekend als martingalen in de context van thermodynamica, zijn onderzocht.

Martingalen zijn paradigmatische voorbeelden van stochastische processen die op verschillende gebieden zijn gebruikt, inclusief financiën en wiskunde. Manzano, Roldan en hun collega's pasten kennis van martingalen toe op de studie van thermodynamica met als doel nieuwe universele thermodynamische wetten te onthullen.

"Ons artikel heeft betrekking op de volgende vragen:wat gebeurt er als men gokt met de informatie die is verkregen over de respons van een klein systeem tijdens een thermodynamisch proces dat niet in evenwicht is?" Edgar Roldan, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Dit kan worden geformuleerd als een 'stop'-toestand waarin de gokker stopt (bijv. stopt met het spelen van roulette wanneer de inkomsten een bepaald bedrag hebben overschreden of gedaald).

Het hoofddoel van de door Manzano uitgevoerde studie, Roldan en hun collega's moesten onderzoeken in hoeverre de wetten van de thermodynamica van toepassing zijn bij het gebruik van op gokken geïnspireerde protocollen. Om dit te behalen, ontwikkelden ze de martingaaltheorie van de thermodynamica verder, een theoretische constructie die ze een paar jaar geleden hebben geïntroduceerd.

In hun nieuwe studie de onderzoekers introduceerden het idee van 'gokdemonen'. Een gokdemon is in wezen een nieuwe versie van de zogenaamde Maxwell's demon, een idee en gedachte-experiment geïntroduceerd door natuurkundige James Clerk Maxwell in 1867. In dit gedachte-experiment, Maxwell toonde aan dat door gebruik te maken van informatie over de microscopische dynamiek van een systeem, is het misschien mogelijk om de tweede wet van de thermodynamica te ondermijnen, waarin staat dat warmte altijd van warm naar koud zal gaan totdat het gelijkmatig door een systeem wordt verspreid. De schijnbare paradox is al tientallen jaren een actief onderzoeksgebied en werd opgelost door rekening te houden met de fysieke aard van de informatie die door de demon werd geproduceerd, waarvoor werk zou moeten worden gewist, volgens het principe van Landauer (voor het eerst voorgesteld in 1961).

"In de originele versie van Maxwell, een klein intelligent wezen (d.w.z. de demon) kan de tweede wet van de thermodynamica trotseren door een thermodynamisch systeem op microscopisch niveau te observeren en te manipuleren, ' zei Manzano. 'Zelfs als de paradox maar schijn is, Maxwell's demon is vandaag de dag nog steeds van groot belang, omdat het het mogelijk maakt om werk te extraheren tegen de prijs van het produceren van entropie in de vorm van informatie. In de nieuwe versie, we duwen de demon tot het uiterste door enkele van zijn krachten weg te nemen."

In hun krant Manzano, Roldan en hun collega's overwogen de mogelijkheid dat hun getheoretiseerde gokdemon nog steeds de microscopische dynamiek van een systeem kan observeren, maar het niet naar believen kan manipuleren. In plaats van het systeem te manipuleren, de demon kan alleen besluiten het thermodynamische proces te stoppen op elk moment dat hij goed acht.

"Je zou kunnen denken dat deze minder krachtige demon de tweede wet niet kan trotseren, zoals in de originele opstelling van Maxwell, aangezien men naïef mag verwachten dat de demon geen goed gebruik zou kunnen maken van de informatie over de microscopische dynamiek van het systeem, " zei Manzano. "Echter, we hebben gezien dat dit niet het geval is, maar de demon heeft (i) een goede strategie nodig om zinvol te beslissen wanneer te stoppen, en (ii) de dynamiek van het systeem in kwestie moet niet-stationair zijn (of meer technisch, het moet de tijdomkeringssymmetrie doorbreken) en daarom, enige investering van het werk is nodig."

Manzano, Roldan en hun collega's onderzochten het idee van gokdemonen met behulp van technieken die werden gebruikt om stochastische en kwantumthermodynamica te bestuderen. Specifieker, ze hebben een universele fluctuatiestelling afgeleid die het gedrag van relevante thermodynamische grootheden relateert wanneer stopstrategieën worden toegepast. Hierdoor konden ze de grenzen van deze stopstrategieën verkennen. Vervolgens, de onderzoekers bevestigden hun voorspellingen in een reeks experimenten.

"De experimentele configuratie van onze medewerkers in het Pekola-lab bestond uit een klein koperen eiland dat op een zeer lage temperatuur (0,67 Kelvin) werd gehouden, waar elektronen van twee aluminiumleidingen kunnen springen, " zei Manzano. "Bovendien, op het metalen eiland wordt een tijdsafhankelijke spanning aangelegd, het uitvoeren van werkzaamheden in het systeem, en ervoor te zorgen dat het systeem niet stilstaat."

Bij bijzonder lage temperaturen, enkele elektronen die een metalen eiland binnenkomen, kunnen afzonderlijk worden geteld. Door elektronen één voor één te tellen, de onderzoekers konden waardevolle informatie verzamelen over een systeem. Met behulp van deze informatie, ze waren vervolgens in staat om de relevante thermodynamische grootheden te berekenen en stopstrategieën te testen.

"Hoewel we de systeemdynamiek niet on-the-fly stoppen, de verkregen gegevens stellen ons in staat om het effect van verschillende gokstrategieën te analyseren die onze theoretische voorspellingen bevestigen, " zei Manzano. "We vinden ook dat in deze opstelling, een 'winnende' strategie bestaat erin de dynamiek te stoppen als er teveel werk wordt geïnvesteerd. Het toepassen, we ontdekten dat werk kan worden geëxtraheerd uit informatie, het overwinnen van de traditionele limieten van de tweede wet."

De onderzoekers trekken een analogie tussen de demon die ze introduceerden en casinospellen. Volgens Roldan "Je zou kunnen denken aan een gokker die roulette speelt en winst verwacht op basis van zijn/haar goede kans om te winnen. Als deze persoon elke dag zou spelen totdat het casino sloot, hij/zij zou verwachten dat hij/zij geld zou verliezen. Echter, de gokker kan ook een strategie bedenken waarmee hij/zij een nettowinst kan maken, bijvoorbeeld, door alleen te spelen totdat zijn/haar omzet een vooraf bepaalde drempelwaarde overschrijdt." dergelijke strategieën zouden alleen kunnen werken als de kansen van de getallen in de roulette gedurende de dag veranderen.

"Beschouw een klein systeem ondergedompeld in een thermaal bad dat gedurende een vaste totale tijd wordt aangedreven volgens een deterministisch niet-evenwichtsprotocol, "Zei Roldan. "Als het protocol altijd mag worden voltooid, het werk dat aan het systeem is gedaan, gemiddeld over vele realisaties van het proces, is groter of gelijk aan de verandering in vrije energie, zoals volgt uit de tweede wet van de thermodynamica. Wat gebeurt er, echter, wanneer het proces op een willekeurig moment wordt gestopt volgens een bepaald criterium (bijv. een gokstrategie)?"

Het idee kan worden gekoppeld aan het concept van informatiedemonen. In de context van thermodynamica, bijvoorbeeld, De demon van Maxwell leidt tot schijnbare schendingen van de tweede wet door op willekeurige tijden een poort te openen en te sluiten die twee containers van elkaar scheidt.

"De demon van Maxwell gebruikt twee eigenschappen om schijnbaar de grenzen van de tweede wet te schenden, ' legde Roldan uit. 'Eerst, het handelt op stochastische tijden wanneer een specifieke gebeurtenis plaatsvindt, een warm/koud deeltje komt dicht bij de poort. Tweede, het past feedbackcontrole toe, het openen van de poort verandert de dynamiek van het proces."

De gokdemonen voorgesteld door Manzano, Roldan en hun collega's zijn in wezen apparaten die schijnbare schendingen van de tweede wet van de thermodynamica mogelijk maken door alleen het eerste onderdeel van Maxwells oorspronkelijke demonvoorstel te gebruiken. Dit eerste onderdeel is het uitvoeren van een taak op een stochastisch moment. De oplossing van de paradox volgt niettemin dezelfde lijnen als in de originele versie.

"Het belangrijkste idee hier is het gebruik van een zeer specifieke reeks strategieën die zijn geïnspireerd op gokken en die leiden tot het stoppen van de dynamiek volgens een voorgeschreven criterium, " zei Roldan. "Omdat het systeem waarop de demon werkt klein is en wordt beïnvloed door fluctuaties, het tijdstip waarop de demon de dynamiek stopt is in elke cyclus anders. Dit is cruciaal voor werkextractie, zoals we laten zien in ons werk."

In hun krant Manzano, Roldan en hun collega's laten zien dat de gokdemon die ze realiseerden, kan worden gebruikt om werk uit een thermodynamisch systeem te extraheren dat verder gaat dan de vrije energieverandering. Met behulp van martingaaltheorie, ze berekenden de gemiddelde werkextractie die deze demonen kunnen bereiken en testten hun voorspellingen in een experiment.

In dit experiment, de onderzoekers analyseerden tijdreeksgegevens die waren verzameld met behulp van een transistor met één elektron. Vervolgens pasten ze gokstrategieën toe op basis van metingen van het werk aan de transistor. Met andere woorden, wanneer het werk een bepaalde drempel overschreed, de demon stopte de dynamiek van het systeem; anders, het zette zijn evolutie voort voor een grotere (vaste) tijdsduur.

"Ons werk houdt in dat conversie van informatie naar werk kan worden gerealiseerd in systemen waar een nauwkeurige controle van de dynamiek niet beschikbaar is, "Zei Manzano. "Dit breidt de reikwijdte van Maxwells oorspronkelijke scenario aanzienlijk uit en verduidelijkt de minimale ingrediënten die nodig zijn om informatie en thermodynamica met elkaar te verbinden."

Het idee van gokdemonen en de universele niet-evenwichtsrelaties die in het artikel worden beschreven, kunnen op een aantal studiegebieden worden toegepast. In de specifieke context waarop ze het toepasten, de demon zou de dynamiek van een systeem kunnen stoppen na een strategie. Echter, de beschreven relaties kunnen ook worden toegepast op systemen waarin de dynamiek van nature stopt wanneer aan een specifieke voorwaarde wordt voldaan, zoals biologische systemen.

"Het belangrijkste inzicht van onze studie is dat, in tegenstelling tot de overtuigingen tot nu toe, het is niet nodig om feedback toe te passen om werk te extraheren dat verder gaat dan de vrije energieverandering, " zei Roldan. "Dit kan worden gedaan door geschikte gokstrategieën toe te passen en we laten zien hoeveel werk men eruit kan halen. Opmerkelijk, onze bevindingen suggereren dat de hoeveelheid werk die men kan winnen door gokken wordt begrensd door een maat voor de tijdsasymmetrie van het fysieke proces, zo zeer onomkeerbare (ver van evenwicht) dynamiek kan leiden tot grote waarden van werkextractie, net als arbitragemogelijkheden op de aandelenmarkt."

In de toekomst, de door Manzano voorgestelde nieuwe op gokken gebaseerde benadering, Roldan en hun collega's zouden kunnen worden gebruikt om de efficiëntie van microscopisch kleine warmtemotoren en -motoren te verbeteren. In hun volgende studies, de onderzoekers zijn van plan om de resultaten die ze hebben verzameld te analyseren vanuit een kwantumfysica-standpunt. Hun werk zou de weg kunnen banen naar de ontwikkeling van op gokken gebaseerde strategieën voor onderzoek en technologische ontwikkeling die beter presteren dan meer conventionele methoden.

"Wij geloven dat onze studie een eerste stap is in de ontwikkeling van nieuwe mogelijkheden voor efficiënte protocollen voor het oogsten van energie op nanoschaal, die onze fundamentele kennis kunnen gebruiken om te profiteren van fluctuaties met behulp van slimme informatieverwerkingsstrategieën, ' zei Roldan.

© 2021 Science X Network