Информационный двигатель работает с почти идеальной эффективностью

Физики экспериментально продемонстрировали информационный двигатель — устройство, которое преобразует информацию в работу — с эффективностью, превышающей  второй закон термодинамики. Эффективность двигателя ограничена недавно предложенным обобщенным вторым законом термодинамики, и это первый информационный двигатель, который приблизился к этой новой границе.

Результаты демонстрируют осуществимость как реализацию «работы без потерь» информационного двигателя, так и то, что практически информации не теряется, а вместо этого почти полностью преобразуется в работу, что также экспериментально подтверждает обобщенный второй закон.

Физики, Говинд Панеру, Донг Юнь Ли, Цви Тлаусти и Хюк Кю Пак в Институте фундаментальной науки в Ульсане, Южная Корея (Тлусти и Пак также находятся в Национальном институте науки и техники Ульсана), опубликовали статью об информационном двигателе без потерь в недавнем выпуске «Physical Review Letters».

«Размышление о двигателях привело к прогрессу термодинамики и статистической механики с тех пор, как Карно установил предел эффективности тепловых двигателей в 1824 году», — говорит Хюк Кю Пак. «Добавление обработки информации в виде «демонов» установило новые ограничения, и было необходимо проверить новые пределы в эксперименте».

Традиционно максимальная эффективность, с которой двигатель может преобразовывать энергию в работу, ограничивается вторым законом термодинамики. Однако в последнее десятилетие эксперименты показали, что эффективность двигателя может превзойти второй закон, если двигатель может получать информацию из своего окружения, поскольку он может затем преобразовать эту информацию в работу. Эти информационные двигатели (или «демоны Максвелла*», названные в честь первой концепции такого устройства) стали возможными благодаря фундаментальной связи между информацией и термодинамикой, которую ученые все еще пытаются полностью понять.

Естественно, недавние экспериментальные демонстрации информационных двигателей поставили вопрос о том, есть ли верхняя граница эффективности, с которой информационный двигатель может преобразовывать информацию в работу. Чтобы решить этот вопрос, исследователи недавно получили обобщенный второй закон термодинамики, в котором объясняются как энергия, так и информация, преобразуемая в работу. Однако до сих пор ни один экспериментальный информационный двигатель не приблизился к предсказанным границам.

В обобщенном втором законе термодинамики говорится, что работа, извлеченная из информационного механизма, ограничена суммой двух компонентов: первая — разность свободной энергии между конечным и начальным состояниями (это единственный предел, установленный на обычных двигателях обычным второй закон), а другой — объем доступной информации (эта часть устанавливает верхнюю границу дополнительной работы, которую можно извлечь из информации).

Для достижения максимальной эффективности, установленной обобщенным вторым законом, ученые в новом исследовании разработали и внедрили информационный двигатель из частицы, захваченной светом при комнатной температуре. Случайные тепловые флуктуации заставляют крошечную частицу слегка двигаться из-за броуновского движения, а фотодиод отслеживает положение частицы с пространственной точностью в 1 нанометр.

Если частица движется на некотором расстоянии от ее начальной точки в определенном направлении, световая ловушка быстро смещается в направлении частицы. Этот процесс повторяется, так что со временем двигатель транспортирует частицу в нужном направлении просто путем извлечения работы из информации, получаемой из случайных тепловых флуктуаций системы (компонент свободной энергии здесь равен нулю, поэтому он не способствует извлечению работы ).

Одной из наиболее важных особенностей этой системы является ее почти мгновенная реакция обратной связи: ловушка сдвигается всего за долю миллисекунды, не давая частице время двигаться дальше и рассеивать энергию. В результате энергия, полученной в результате сдвига, не теряется до высокой температуры, но почти все она преобразуется в работу.

Избегая практически любой потери информации, преобразование информации в энергию в этом процессе достигает приблизительно 98,5% от суммы, установленной обобщенным вторым законом. Результаты подтверждают эту привязку и иллюстрируют возможность извлечения максимального объема работы из информации.

Кроме их фундаментальных последствий, результаты могут также привести к практическим применениям, которые ученые планируют исследовать в будущем.

«Как нанотехнология, так и живые системы работают в масштабах, где взаимодействие между тепловыми шумами и обработкой информации является значительным», — говорит Хюк Кю Пак. «Можно подумать о инженерных системах, в которых информация используется для управления молекулярными процессами и задания вектора их в правильном направлении. Одна из возможностей — создать гибриды биологических и инженерных систем, даже в живой клетке».

Де́мон Ма́ксвелла — мысленный эксперимент 1867 года, а также его главный персонаж — воображаемое разумное существо микроскопического размера, придуманное британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики.

Больше информации: Govind Paneru, Dong Yun Lee, Tsvi Tlusty, and Hyuk Kyu Pak. «Lossless Brownian Information Engine.» Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.020601