Informaatio termodynaamisena polttoaineena

Yli 150 vuotta sitten Maxwell ehdotti ajatuskoetta terävöittääkseen ymmärrystä termodynamiikan toisesta pääsäännöstä demonilla, joka voisi lajitella nopeita ja hitaita molekyylejä luodakseen lämpötilaeron kahden kammion välille ja muuntaa siten lämpökylvyn energian muotoon, jota voitaisiin käyttää työn tekemiseen.

Nykyajan termein Maxwellin ajatuskoe oli ensimmäinen esimerkki informaatiomoottorista.

Vuonna 1929 Leo Szilard ehdotti yksinkertaisempaa varianttia, joka koostuu yhdestä kaasumolekyylistä kammiossa, joka on erotettu seinällä. Jos hiukkanen havaitaan vasemmalla puoliskolla, demoni kiinnittää liikkeellä nostetun massan oikealle ja päinvastoin. Sitten kammion isoterminen laajeneminen nostaa massaa ja varastoi potentiaalienergiaa.

Kun moottoria ajetaan syklisesti, se muuntaa informaation molekyylin tilasta kohonneen massan gravitaatiopotentiaaliksi, ilmeisesti tekemättä mitään työtä massan nostamiseksi. Tämä ilmeinen termodynamiikan toisen lain rikkomus ratkaistiin myöhemmin ottamalla huomioon informaationkäsittelyyn liittyvät kustannukset, mikä johti informaation termodynamiikan selkeämpään ymmärtämiseen.

Viimeaikainen teknologian kehitys ja stokastisen termodynamiikan teoreettinen kehitys ovat mahdollistaneet Maxwellin ja Szilardin ideoihin perustuvien informaatiokoneiden kokeellisen toteuttamisen. Niitä on käytetty arvioitaessa oheiskustannuksia ja tutkittaessa informaation työksi muuntamisen tehokkuutta.

Uudemissa informaatiomoottorien tutkimuksissa on tutkittu hyödyllisen informaatiomoottorin suorituskykyä, joka ei ainoastaan poimi energiaa lämmöstä, vaan myös varastoi energiaa. Moottorin "polttoaine" on suotuisista järjestelmän heilahteluista kerättyä informaatiota.

Työssä suunniteltiin kone, joka varastoi energiaa nostamalla helmeä painovoimaa vasten puhtaasti helmen paikkaa koskevan informaation ohjaamana. Mitään työtä ei tehdä suoraan helmelle; sen sijaan kaikki hajoaminen-dissipation tapahtuu mittauslaitteessa.

Valitsemalla oikean helmen koko ja huolellisen suunnittelun avulla parannettiin informaatiomoottorin suorituskykyä yli 10-kertaisesti parhaisiin aikaisempiin malleihin verrattuna. Saavutettu maksiminopeuden maksimitehon lukuarvot ovat verrattavissa mikro-organismeista mitattuihin lukuihin.

Kuitenkin mittauskohina voi heikentää moottorin tehokkuutta, koska se voi lisätä mittaukseen epävarmuutta, mikä voi johtaa virheellisiin takaisinkytkennän päätöksiin moottoria käyttävässä algoritmissa.

Aivan äskettäin Tushar Saha ja kollegat kanadalaisesta Simon Fraser -yliopistosta ovat kehittäneet algoritmin, joka ei kärsi näistäkään virheistä.

Ongelman voittamiseksi Saha ja kollegat käyttävät "suodatus"-algoritmia, joka korvaa viimeisimmän helmimittauksen niin kutsutulla Bayesin estimaatilla. Tämä arvio ottaa huomioon sekä mittauskohinan että laiterakenteen palautteen viiveen.

Perinteisesti suurin hyötysuhde, jolla moottori voi muuntaa energiaa työksi, on rajoitettu termodynamiikan toiseen pääsääntöön. Viimeisen vuosikymmenen aikana tehdyt kokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että moottorin hyötysuhde voi ylittää toisen lain, jos moottori voi saada informaatiota ympäristöstään, koska se voi sitten muuntaa informaation työksi.

Nämä informaatiomoottorit ovat mahdollisia informaation ja termodynamiikan välisen perustavanlaatuisen yhteyden ansiosta, jota tutkijat yrittävät edelleen täysin ymmärtää.

Aiheesta aiemmin:

Suuri askel pienille moottoreille