Des chercheurs du Centre international de physique théorique (ICTP) en Italie et du groupe PICO de l'Université Aalto en Finlande ont introduit l'idée d'un démon de l'information qui suit une stratégie de jeu habituelle pour arrêter les processus de non-équilibre à des moments stochastiques. Les nouveaux démons qu'ils ont réalisé, qui diffèrent du célèbre démon de Maxwell, ont été présentés dans un article publié dans Lettres d'examen physique .

"Notre recherche a été motivée par la curiosité, " Gonzalo Manzano, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Nous nous sommes interrogés sur les implications de processus dont les fluctuations remplissent (ou cassent) certaines propriétés fortes des processus stochastiques sur le lien entre thermodynamique et information."

La récente étude de Gonzalo Manzano, Edgar Roldan et leurs collègues s'appuient sur des travaux antérieurs étudiant le lien entre l'information et la thermodynamique au niveau stochastique. Il s'inspire également de recherches récentes qui ont exploré les propriétés d'une famille unique de processus stochastiques appelés martingales dans le contexte de la thermodynamique.

Les martingales sont des exemples paradigmatiques de processus stochastiques qui ont été utilisés dans divers domaines, y compris la finance et les mathématiques. Manzano, Roldan et leurs collègues ont appliqué les connaissances des martingales à l'étude de la thermodynamique dans le but de dévoiler de nouvelles lois thermodynamiques universelles.

« Notre article porte sur les questions suivantes :que se passe-t-il lorsque l'on joue avec les informations acquises sur la réponse d'un petit système au cours d'un processus thermodynamique hors d'équilibre ? Edgar Roldan, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. « Cela peut être formulé comme une condition d'« arrêt » dans laquelle le joueur quitte (par exemple, arrête de jouer à la roulette lorsque ses revenus ont dépassé ou sont tombés en dessous d'un certain montant)."

L'objectif principal de l'étude menée par Manzano, Roldan et leurs collègues devaient étudier dans quelle mesure les lois de la thermodynamique s'appliquent lors de l'utilisation de protocoles inspirés du jeu. Pour y parvenir, ils ont développé plus loin la théorie de la martingale de la thermodynamique, une construction théorique qu'ils ont introduite il y a quelques années.

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont introduit l'idée de "démons du jeu". Un démon de jeu est essentiellement une nouvelle version du soi-disant démon de Maxwell, une idée et une expérience de pensée introduite par le physicien James Clerk Maxwell en 1867. Dans cette expérience de pensée, Maxwell a montré qu'en utilisant des informations sur la dynamique microscopique d'un système, il peut être possible de subvertir la deuxième loi de la thermodynamique, qui stipule que la chaleur passera toujours du chaud au froid jusqu'à ce qu'elle soit répartie uniformément dans un système. Le paradoxe apparent a été un domaine de recherche actif pendant de nombreuses décennies et a été résolu en considérant la nature physique de l'information produite par le démon, qui nécessiterait l'effacement des travaux, selon le principe de Landauer (proposé pour la première fois en 1961).

"Dans la version originale de Maxwell, un petit être intelligent (c'est-à-dire le démon) est capable de défier la deuxième loi de la thermodynamique en observant et en manipulant un système thermodynamique au niveau microscopique, " dit Manzano. " Même si le paradoxe n'est qu'apparent, Le démon de Maxwell est toujours d'un grand intérêt aujourd'hui, car il permet d'extraire du travail au prix de produire de l'entropie sous forme d'information. Dans la nouvelle version, nous poussons le démon à ses limites en lui enlevant certains de ses pouvoirs."

Dans leur papier, Manzano, Roldan et leurs collègues ont envisagé la possibilité que leur démon théorisé du jeu puisse encore observer la dynamique microscopique d'un système mais ne puisse pas le manipuler à volonté. Plutôt que de manipuler le système, le démon ne peut décider d'arrêter le processus thermodynamique qu'à tout moment qu'il juge bon.

"On peut penser que ce démon moins puissant ne peut pas défier la deuxième loi, comme dans la configuration d'origine de Maxwell, puisqu'on peut s'attendre naïvement à ce que le démon ne puisse pas faire bon usage des informations sur la dynamique microscopique du système, " a déclaré Manzano. " Cependant, nous avons vu que ce n'est pas le cas, mais le démon a besoin (i) d'une bonne stratégie pour décider de manière significative quand s'arrêter, et (ii) la dynamique du système considéré doit être non stationnaire (ou plus techniquement, il doit briser la symétrie d'inversion du temps) et donc, un certain investissement de travail est nécessaire."

Manzano, Roldan et leurs collègues ont exploré l'idée de jouer aux démons en utilisant des techniques employées pour étudier la thermodynamique stochastique et quantique. Plus précisement, ils ont dérivé un théorème de fluctuation universel qui relie le comportement des quantités thermodynamiques pertinentes lorsque des stratégies d'arrêt sont appliquées. Cela leur a permis d'explorer les limites de ces stratégies d'arrêt. Ensuite, les chercheurs ont vérifié leurs prédictions dans une série d'expériences.

"La configuration expérimentale de nos collaborateurs du laboratoire Pekola consistait en un petit îlot de cuivre maintenu à très basse température (0,67 Kelvin) où les électrons de deux conducteurs en aluminium peuvent sauter, " a déclaré Manzano. " De plus, une tension dépendante du temps est appliquée à l'îlot métallique, effectuer des travaux dans le système, et s'assurer que le système n'est pas stationnaire.

A des températures particulièrement basses, les électrons isolés qui pénètrent dans un îlot métallique peuvent être comptés individuellement. En comptant les électrons un par un, les chercheurs ont pu recueillir des informations précieuses sur un système. En utilisant ces informations, ils ont ensuite pu calculer les grandeurs thermodynamiques pertinentes et tester des stratégies d'arrêt.

« Bien que nous n'arrêtions pas la dynamique du système à la volée, les données obtenues nous permettent d'analyser l'effet de différentes stratégies de jeu corroborant nos prédictions théoriques, " a déclaré Manzano. "Nous trouvons également que dans cette configuration, une stratégie « gagnante » consiste à arrêter la dynamique si trop de travail est investi. En l'appliquant, nous avons constaté que le travail peut être extrait de l'information, dépasser les limites traditionnelles de la seconde loi.

Les chercheurs font une analogie entre le démon qu'ils ont introduit et les jeux de casino. Selon Roldan, "on pourrait penser à un joueur jouant à la roulette et s'attendant à un profit basé sur ses bonnes chances de gagner. Si cet individu jouait tous les jours jusqu'à la fermeture du casino, il doit s'attendre à ce qu'il perde de l'argent. Cependant, le joueur pourrait également concevoir une stratégie qui lui permettrait de réaliser un bénéfice net, par exemple, en ne jouant que jusqu'à ce que ses revenus dépassent une valeur seuil prédéfinie." Néanmoins, de telles stratégies ne peuvent fonctionner que si les probabilités des numéros de la roulette changent au cours de la journée.

"Considérez un petit système immergé dans un bain thermal qui est entraîné pendant un temps total fixe suivant un protocole de non-équilibre déterministe, " dit Roldan. " Si le protocole est toujours autorisé à être complété, le travail effectué sur le système moyenné sur de nombreuses réalisations du processus est supérieur ou égal à sa variation d'énergie libre, comme suit de la deuxième loi de la thermodynamique. Ce qui se produit, cependant, lorsque le processus est arrêté à un instant aléatoire suivant un critère donné (par exemple, une stratégie de jeu) ?"

L'idée peut être liée au concept de démons de l'information. Dans le cadre de la thermodynamique, par exemple, Le démon de Maxwell conduit à des violations apparentes de la deuxième loi en ouvrant et en fermant une porte séparant deux conteneurs à des moments aléatoires.

"Le démon de Maxwell utilise deux propriétés pour violer apparemment les limites de la deuxième loi, " expliqua Roldan. " Premièrement, il agit à des moments stochastiques lorsqu'un événement spécifique a lieu, une particule chaude/froide s'approche de la grille. Seconde, il applique le contrôle de rétroaction, en ouvrant la porte, cela change la dynamique du processus."

Les démons du jeu proposés par Manzano, Roldan et leurs collègues sont essentiellement des dispositifs qui permettent des violations apparentes de la deuxième loi de la thermodynamique en utilisant uniquement le premier composant de la proposition démoniaque originale de Maxwell. Cette première composante est l'exécution d'une tâche à un instant stochastique. La résolution du paradoxe suit néanmoins les mêmes lignes que dans la version originale.

"L'idée clé ici est l'utilisation d'un ensemble très particulier de stratégies inspirées du jeu qui conduisent à l'arrêt de la dynamique suivant un critère prescrit, " dit Roldan. " Parce que le système sur lequel le démon agit est petit et affecté par des fluctuations, le moment auquel le démon arrête la dynamique est différent dans chaque cycle. Ceci est crucial pour l'extraction du travail, comme nous le montrons dans notre travail."

Dans leur papier, Manzano, Roldan et leurs collègues montrent que le démon du jeu qu'ils ont réalisé peut être utilisé pour extraire du travail d'un système thermodynamique au-delà de son libre changement d'énergie. En utilisant la théorie des martingales, ils ont calculé l'extraction moyenne de travail que ces démons peuvent atteindre et testé leurs prédictions dans une expérience.

Dans cette expérience, les chercheurs ont analysé les données de séries chronologiques recueillies à l'aide d'un transistor à un seul électron. Ils ont ensuite appliqué des stratégies de jeu basées sur des mesures du travail effectué sur le transistor. En d'autres termes, lorsque le travail a dépassé un seuil déterminé, le démon a arrêté la dynamique du système; autrement, il a continué son évolution pendant un laps de temps (fixe) plus important.

"Notre travail implique que la conversion information-travail peut être réalisée dans des systèmes où un contrôle précis de la dynamique n'est pas disponible, " a déclaré Manzano. " Cela étend considérablement la portée du scénario original de Maxwell et clarifie les ingrédients minimaux nécessaires pour lier l'information et la thermodynamique. "

L'idée des démons du jeu et les relations universelles de non-équilibre décrites dans l'article pourraient être appliquées à un certain nombre de domaines d'étude. Dans le contexte spécifique auquel ils l'ont appliqué, le démon pourrait arrêter la dynamique d'un système suivant une stratégie. Cependant, les relations qu'ils ont décrites pourraient également s'appliquer à des systèmes dans lesquels la dynamique s'arrête naturellement lorsqu'une condition spécifique est remplie, tels que les systèmes biologiques.

« Le point clé de notre étude est que contrairement aux idées reçues jusqu'à présent, il n'est pas nécessaire d'appliquer la rétroaction pour extraire du travail au-delà du changement d'énergie libre, " a déclaré Roldan. " Cela peut être fait en appliquant des stratégies de jeu appropriées et nous montrons combien de travail on peut en extraire. Notamment, nos résultats suggèrent que la quantité de travail que l'on peut extraire grâce au jeu est limitée par une mesure de l'asymétrie temporelle du processus physique, donc une dynamique hautement irréversible (loin de l'équilibre) peut conduire à de grandes valeurs d'extraction de travail, un peu comme les opportunités d'arbitrage sur le marché boursier."

À l'avenir, la nouvelle approche basée sur le jeu proposée par Manzano, Roldan et leurs collègues pourraient être utilisés pour améliorer l'efficacité des moteurs thermiques et des moteurs microscopiques. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'analyser les résultats qu'ils ont recueillis du point de vue de la physique quantique. Leurs travaux pourraient ouvrir la voie au développement de stratégies basées sur le jeu pour la recherche et le développement technologique qui surpassent les méthodes plus conventionnelles.

"Nous pensons que notre étude est une première étape dans le développement de nouvelles possibilités de protocoles efficaces de récupération d'énergie à l'échelle nanométrique, qui peuvent utiliser nos connaissances fondamentales sur la façon de profiter des fluctuations en utilisant des stratégies de traitement de l'information intelligentes, " dit Roldan.

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