I ricercatori dell'International Center for Theoretical Physics (ICTP) in Italia e del gruppo PICO dell'Aalto University in Finlandia hanno introdotto l'idea di un demone dell'informazione che segue una strategia di gioco consueta per fermare i processi di non equilibrio in tempi stocastici. I nuovi demoni hanno realizzato, che differiscono dal famoso demone di Maxwell, sono stati presentati in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica .

"La nostra ricerca è stata guidata dalla curiosità, "Gonzalo Manzano, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ci siamo interrogati sulle implicazioni dei processi le cui fluttuazioni soddisfano (o rompono) alcune proprietà forti dei processi stocastici sul legame tra termodinamica e informazione".

Il recente studio di Gonzalo Manzano, Edgar Roldan e i loro colleghi si basa su lavori precedenti che indagano sul legame tra informazione e termodinamica a livello stocastico. Trae ispirazione anche da recenti ricerche che hanno esplorato le proprietà di una famiglia unica di processi stocastici noti come martingala nel contesto della termodinamica.

I martingala sono esempi paradigmatici di processi stocastici che sono stati utilizzati in una varietà di campi, tra cui finanza e matematica. Manzano, Roldan ei loro colleghi hanno applicato la conoscenza delle martingala allo studio della termodinamica con l'obiettivo di svelare nuove leggi termodinamiche universali.

"Il nostro articolo riguarda le seguenti domande:cosa succede quando si gioca con le informazioni acquisite sulla risposta di un piccolo sistema durante un processo termodinamico di non equilibrio?" Edgar Roldan, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Questo può essere formulato come una condizione di 'arresto' in cui il giocatore d'azzardo smette (ad es. smette di giocare alla roulette quando le sue entrate hanno superato o sono scese al di sotto di un determinato importo)."

L'obiettivo principale dello studio condotto da Manzano, Roldan e i loro colleghi dovevano indagare fino a che punto le leggi della termodinamica si applicano quando si utilizzano protocolli ispirati al gioco d'azzardo. Per realizzare questo, svilupparono ulteriormente la teoria della martingala della termodinamica, un costrutto teorico che hanno introdotto alcuni anni fa.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno introdotto l'idea dei "demoni del gioco d'azzardo". Un demone del gioco d'azzardo è essenzialmente una nuova versione del cosiddetto demone di Maxwell, un'idea e un esperimento mentale introdotto dal fisico James Clerk Maxwell nel 1867. In questo esperimento mentale, Maxwell dimostrò che utilizzando informazioni sulla dinamica microscopica di un sistema, potrebbe essere possibile sovvertire la seconda legge della termodinamica, che afferma che il calore si sposterà sempre dal caldo al freddo fino a quando non si diffonderà uniformemente attraverso un sistema. L'apparente paradosso è stato un'area di ricerca attiva per molti decenni ed è stato risolto considerando la natura fisica delle informazioni prodotte dal demone, che richiederebbe un lavoro per essere cancellato, secondo il principio di Landauer (proposto per la prima volta nel 1961).

"Nella versione originale di Maxwell, un piccolo essere intelligente (cioè, il demone) è in grado di sfidare la seconda legge della termodinamica osservando e manipolando un sistema termodinamico a livello microscopico, " disse Manzano. "Anche se il paradosso è solo apparente, Il demone di Maxwell è ancora di grande interesse oggi, perché permette di estrarre lavoro al prezzo di produrre entropia sotto forma di informazione. Nella nuova versione, spingiamo il demone ai suoi limiti togliendogli alcuni dei suoi poteri."

Nella loro carta, Manzano, Roldan e i loro colleghi hanno considerato la possibilità che il loro demone del gioco d'azzardo teorizzato possa ancora osservare le dinamiche microscopiche di un sistema ma non possa manipolarlo a piacimento. Invece di manipolare il sistema, il demone può solo decidere di interrompere il processo termodinamico in qualsiasi momento lo ritenga opportuno.

"Si può pensare che questo demone meno potente non possa sfidare la seconda legge, come nella configurazione originale di Maxwell, poiché ci si può ingenuamente aspettare che il demone non sia in grado di fare buon uso delle informazioni sulla dinamica microscopica del sistema, " disse Manzano. "Tuttavia, abbiamo visto che non è così, ma il demone ha bisogno (i) di una buona strategia per decidere in modo significativo quando fermarsi, e (ii) la dinamica del sistema in esame deve essere non stazionaria (o più tecnicamente, deve rompere la simmetria di inversione temporale) e quindi, è necessario un certo investimento di lavoro."

Manzano, Roldan ei loro colleghi hanno esplorato l'idea dei demoni del gioco d'azzardo utilizzando tecniche impiegate per studiare la termodinamica stocastica e quantistica. Più specificamente, hanno derivato un teorema di fluttuazione universale che mette in relazione il comportamento di quantità termodinamiche rilevanti quando vengono applicate strategie di arresto. Ciò ha permesso loro di esplorare i limiti di queste strategie di arresto. Successivamente, i ricercatori hanno verificato le loro previsioni in una serie di esperimenti.

"La configurazione sperimentale dei nostri collaboratori del laboratorio Pekola consisteva in una piccola isola di rame mantenuta a una temperatura molto bassa (0,67 Kelvin) dove possono saltare gli elettroni di due conduttori di alluminio, " disse Manzano. "Inoltre, all'isola metallica viene applicata una tensione dipendente dal tempo, eseguire lavori nel sistema, e assicurando che il sistema non sia stazionario."

A temperature particolarmente basse, i singoli elettroni che entrano in un'isola metallica possono essere contati singolarmente. Contando gli elettroni uno per uno, i ricercatori sono stati in grado di raccogliere preziose informazioni su un sistema. Utilizzando queste informazioni, sono stati quindi in grado di calcolare le quantità termodinamiche rilevanti e testare le strategie di arresto.

"Anche se non fermiamo al volo la dinamica del sistema, i dati ottenuti ci consentono di analizzare l'effetto di diverse strategie di gioco corroborando le nostre previsioni teoriche, " Ha detto Manzano. "Troviamo anche che in questa configurazione, una strategia 'vincente' consiste nell'arrestare la dinamica se si investe troppo lavoro. Applicandolo, abbiamo scoperto che il lavoro può essere estratto dalle informazioni, superamento dei tradizionali limiti della seconda legge”.

I ricercatori tracciano un'analogia tra il demone che hanno introdotto e i giochi da casinò. Secondo Roldano, "si potrebbe pensare a un giocatore che gioca alla roulette e si aspetta un profitto in base alle sue buone possibilità di vincita. Se questo individuo ha giocato ogni giorno fino alla chiusura del casinò, lui/lei dovrebbe aspettarsi che perda soldi. Però, il giocatore potrebbe anche escogitare una strategia che gli permetta di realizzare un profitto netto, ad esempio, giocando solo fino a quando le sue entrate superano un valore soglia predefinito." Tuttavia, tali strategie potrebbero funzionare solo se le probabilità dei numeri nella roulette cambiano durante il giorno.

"Si consideri un piccolo impianto immerso in una vasca termale che viene pilotato per un tempo totale fisso seguendo un protocollo deterministico di disequilibrio, " ha detto Roldan. "Se il protocollo può sempre essere completato, il lavoro svolto sul sistema in media su molte realizzazioni del processo è maggiore o uguale alla sua variazione di energia libera, come segue dalla seconda legge della termodinamica. Che succede, però, quando il processo viene interrotto in un momento casuale seguendo un determinato criterio (ad es. una strategia di gioco d'azzardo)?"

L'idea può essere collegata al concetto di demoni dell'informazione. Nell'ambito della termodinamica, ad esempio, Il demone di Maxwell porta a apparenti violazioni della seconda legge aprendo e chiudendo un cancello che separa due container in momenti casuali.

"Il demone di Maxwell usa due proprietà per violare apparentemente i limiti della seconda legge, " ha spiegato Roldan. "In primo luogo, agisce in momenti stocastici quando si verifica un evento specifico, una particella calda/fredda si avvicina al cancello. Secondo, applica il controllo del feedback, aprendo il cancello cambia la dinamica del processo".

I demoni del gioco proposti da Manzano, Roldan ei loro colleghi sono essenzialmente dispositivi che consentono apparenti violazioni della seconda legge della termodinamica utilizzando solo il primo componente della proposta demone originale di Maxwell. Questo primo componente è l'esecuzione di un compito in un momento stocastico. La risoluzione del paradosso segue tuttavia le stesse linee della versione originale.

"L'idea chiave qui è l'uso di un insieme molto particolare di strategie ispirate al gioco d'azzardo che portano all'arresto della dinamica seguendo un criterio prescritto, " disse Roldan. "Poiché il sistema su cui agisce il demone è piccolo e soggetto a fluttuazioni, il momento in cui il demone interrompe la dinamica è diverso in ogni ciclo. Questo è fondamentale per l'estrazione del lavoro, come dimostriamo nel nostro lavoro."

Nella loro carta, Manzano, Roldan e i loro colleghi mostrano che il demone del gioco d'azzardo che hanno realizzato può essere utilizzato per estrarre lavoro da un sistema termodinamico oltre il suo libero cambiamento di energia. Usando la teoria della martingala, hanno calcolato l'estrazione media del lavoro che questi demoni possono ottenere e testato le loro previsioni in un esperimento.

In questo esperimento, i ricercatori hanno analizzato i dati delle serie temporali raccolti utilizzando un transistor a elettrone singolo. Hanno quindi applicato strategie di gioco basate sulle misurazioni del lavoro svolto sul transistor. In altre parole, quando il lavoro ha superato una determinata soglia, il demone fermò la dinamica del sistema; altrimenti, ha continuato la sua evoluzione per un periodo di tempo (fisso) maggiore.

"Il nostro lavoro implica che la conversione da informazione a lavoro possa essere realizzata in sistemi in cui non è disponibile un controllo preciso della dinamica, " Ha detto Manzano. "Questo estende notevolmente la portata dello scenario originale di Maxwell e chiarisce gli ingredienti minimi necessari per collegare informazioni e termodinamica".

L'idea dei demoni del gioco d'azzardo e delle relazioni di non equilibrio universali descritte nel documento potrebbe essere applicata a una serie di aree di studio. Nello specifico contesto in cui l'hanno applicata, il demone potrebbe fermare le dinamiche di un sistema seguendo una strategia. Però, le relazioni da loro descritte potrebbero essere applicate anche a sistemi in cui la dinamica si arresta naturalmente quando viene soddisfatta una condizione specifica, come i sistemi biologici.

"L'intuizione chiave del nostro studio è che, contrariamente alle credenze fino ad ora, non è necessario applicare feedback per estrarre lavoro oltre il cambiamento di energia libera, " Ha detto Roldan. "Questo può essere fatto applicando strategie di gioco adeguate e mostriamo quanto lavoro si può estrarre da esse. In particolare, i nostri risultati suggeriscono che la quantità di lavoro che si può estrarre attraverso il gioco d'azzardo è limitata da una misura dell'asimmetria temporale del processo fisico, dinamiche così altamente irreversibili (lontane dall'equilibrio) possono portare a grandi valori di estrazione di lavoro, proprio come le opportunità di arbitraggio nel mercato azionario."

Nel futuro, il nuovo approccio basato sul gioco proposto da Manzano, Roldan ei loro colleghi potrebbero essere utilizzati per migliorare l'efficienza di motori e motori termici microscopici. Nei loro studi successivi, i ricercatori hanno in programma di analizzare i risultati che hanno raccolto dal punto di vista della fisica quantistica. Il loro lavoro potrebbe aprire la strada allo sviluppo di strategie basate sul gioco d'azzardo per la ricerca e lo sviluppo tecnologico che superano i metodi più convenzionali.

"Riteniamo che il nostro studio sia un primo passo nello sviluppo di nuove possibilità per protocolli efficienti di raccolta di energia su scala nanometrica, che possono utilizzare le nostre conoscenze fondamentali su come trarre profitto dalle fluttuazioni utilizzando strategie intelligenti di elaborazione delle informazioni, " ha detto Roldano.

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