Investigadores del Centro Internacional de Física Teórica (ICTP) en Italia y el grupo PICO de la Universidad Aalto en Finlandia han introducido la idea de un demonio de la información que sigue una estrategia de juego habitual para detener los procesos de desequilibrio en tiempos estocásticos. Los nuevos demonios se dieron cuenta que difieren del famoso demonio de Maxwell, fueron presentados en un artículo publicado en Cartas de revisión física .

"Nuestra investigación fue impulsada por la curiosidad, "Gonzalo Manzano, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Nos preguntamos acerca de las implicaciones de los procesos cuyas fluctuaciones cumplen (o rompen) algunas propiedades fuertes de los procesos estocásticos en el vínculo entre la termodinámica y la información".

El reciente estudio de Gonzalo Manzano, Edgar Roldan y sus colegas se basan en trabajos anteriores que investigan el vínculo entre la información y la termodinámica a nivel estocástico. También se inspira en investigaciones recientes que exploraron las propiedades de una familia única de procesos estocásticos conocidos como martingalas en el contexto de la termodinámica.

Las martingalas son ejemplos paradigmáticos de procesos estocásticos que se han utilizado en una variedad de campos, incluidas las finanzas y las matemáticas. Manzano, Roldan y sus colegas aplicaron el conocimiento de las martingalas al estudio de la termodinámica con el objetivo de desvelar nuevas leyes termodinámicas universales.

"Nuestro artículo se refiere a las siguientes preguntas:¿Qué sucede cuando se juega con la información adquirida sobre la respuesta de un sistema pequeño durante un proceso termodinámico de desequilibrio?" Edgar Roldan, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Esto se puede formular como una condición de 'detención' en la que el jugador renuncia (p. Ej., deja de jugar a la ruleta cuando sus ingresos han superado o caído por debajo de una determinada cantidad) ".

El principal objetivo del estudio realizado por Manzano, Roldan y sus colegas iban a investigar hasta qué punto se aplican las leyes de la termodinámica cuando se utilizan protocolos inspirados en el juego. Lograr esto, desarrollaron aún más la teoría de la termodinámica de la martingala, un constructo teórico que introdujeron hace unos años.

En su nuevo estudio, los investigadores introdujeron la idea de "demonios del juego". Un demonio del juego es esencialmente una nueva versión del llamado demonio de Maxwell, una idea y un experimento mental introducido por el físico James Clerk Maxwell en 1867. En este experimento mental, Maxwell demostró que al utilizar información sobre la dinámica microscópica de un sistema, puede ser posible subvertir la segunda ley de la termodinámica, que establece que el calor siempre se moverá de caliente a frío hasta que se distribuya uniformemente a través de un sistema. La aparente paradoja ha sido un área activa de investigación durante muchas décadas y se resolvió considerando la naturaleza física de la información producida por el demonio. que requeriría trabajo para ser borrado, según el principio de Landauer (propuesto por primera vez en 1961).

"En la versión original de Maxwell, un pequeño ser inteligente (es decir, el demonio) es capaz de desafiar la segunda ley de la termodinámica al observar y manipular un sistema termodinámico a nivel microscópico, "Dijo Manzano." Incluso si la paradoja es solo aparente, El demonio de Maxwell sigue siendo de gran interés en la actualidad, porque permite extraer trabajo al precio de producir entropía en forma de información. En la nueva versión, llevamos al demonio a sus límites quitándole algunos de sus poderes ".

En su papel Manzano, Roldan y sus colegas consideraron la posibilidad de que su demonio del juego teorizado aún pueda observar la dinámica microscópica de un sistema pero no pueda manipularlo a voluntad. En lugar de manipular el sistema, el demonio solo puede decidir detener el proceso termodinámico en el momento que considere correcto.

"Uno puede pensar que este demonio menos poderoso no puede desafiar la segunda ley, como en la configuración original de Maxwell, ya que uno puede esperar ingenuamente que el demonio no pueda hacer un buen uso de la información sobre la dinámica microscópica del sistema, "Dijo Manzano." Sin embargo, hemos visto que este no es el caso, pero el demonio necesita (i) una buena estrategia para decidir significativamente cuándo detenerse, y (ii) la dinámica del sistema en consideración debe ser no estacionaria (o más técnicamente, necesita romper la simetría de inversión del tiempo) y, por lo tanto, se necesita alguna inversión de trabajo ".

Manzano, Roldan y sus colegas exploraron la idea de los demonios del juego utilizando técnicas empleadas para estudiar la termodinámica estocástica y cuántica. Más específicamente, derivaron un teorema de fluctuación universal que relaciona el comportamiento de cantidades termodinámicas relevantes cuando se aplican estrategias de parada. Esto les permitió explorar los límites de estas estrategias de detención. Después, los investigadores verificaron sus predicciones en una serie de experimentos.

“La configuración experimental de nuestros colaboradores en el laboratorio de Pekola consistió en una pequeña isla de cobre mantenida a una temperatura muy baja (0,67 Kelvin) donde los electrones de dos conductores de aluminio pueden saltar, Manzano dijo. Además, se aplica un voltaje dependiente del tiempo a la isla metálica, realizar trabajo en el sistema, y asegurarse de que el sistema no esté estacionario ".

A temperaturas particularmente bajas, los electrones individuales que entran en una isla metálica se pueden contar individualmente. Contando los electrones uno por uno, los investigadores pudieron recopilar información valiosa sobre un sistema. Usando esta información, Luego pudieron calcular las cantidades termodinámicas relevantes y probar las estrategias de parada.

"Si bien no detenemos la dinámica del sistema sobre la marcha, los datos obtenidos nos permiten analizar el efecto de diferentes estrategias de juego corroborando nuestras predicciones teóricas, "Manzano dijo." También encontramos que en esta configuración, una estrategia 'ganadora' consiste en detener la dinámica si se invierte demasiado trabajo. Aplicándolo, descubrimos que el trabajo se puede extraer de la información, superando los límites tradicionales de la segunda ley ".

Los investigadores establecen una analogía entre el demonio que introdujeron y los juegos de casino. Según Roldan, "uno podría pensar en un jugador que juega a la ruleta y espera ganancias basadas en sus buenas posibilidades de ganar. Si este individuo jugara todos los días hasta que el casino cerrara, él / ella debe esperar que pierda dinero. Sin embargo, el jugador también podría diseñar una estrategia que le permitiera obtener una ganancia neta, por ejemplo, jugando solo hasta que sus ingresos superen un valor umbral predefinido ". No obstante, tales estrategias solo pueden funcionar si las probabilidades de los números de la ruleta cambian durante el día.

"Considere un pequeño sistema sumergido en un baño termal que se maneja durante un tiempo total fijo siguiendo un protocolo de desequilibrio determinista, "Dijo Roldan." Si siempre se permite completar el protocolo, el trabajo realizado en el sistema promediado sobre muchas realizaciones del proceso es mayor o igual que su cambio de energía libre, como se desprende de la segunda ley de la termodinámica. Lo que sucede, sin embargo, cuando el proceso se detiene en un momento aleatorio siguiendo un criterio dado (por ejemplo, una estrategia de juego)? "

La idea se puede vincular al concepto de demonios de la información. En el contexto de la termodinámica, por ejemplo, El demonio de Maxwell conduce a aparentes violaciones de la segunda ley al abrir y cerrar una puerta que separa dos contenedores en momentos aleatorios.

"El demonio de Maxwell usa dos propiedades para aparentemente violar los límites de la segunda ley, "Roldan explicó." Primero, actúa en tiempos estocásticos cuando tiene lugar un evento específico, una partícula caliente / fría se acerca a la puerta. Segundo, aplica control de retroalimentación, al abrir la puerta cambia la dinámica del proceso ".

Los demonios del juego propuestos por Manzano, Roldan y sus colegas son esencialmente dispositivos que permiten aparentes violaciones de la segunda ley de la termodinámica utilizando solo el primer componente de la propuesta demoníaca original de Maxwell. Este primer componente es la ejecución de una tarea en un tiempo estocástico. La resolución de la paradoja sigue, no obstante, las mismas líneas que en la versión original.

"La idea clave aquí es el uso de un conjunto muy particular de estrategias inspiradas en el juego que conducen a detener la dinámica siguiendo un criterio prescrito, "Dijo Roldan." Debido a que el sistema sobre el cual actúa el demonio es pequeño y está afectado por fluctuaciones, el momento en que el demonio detiene la dinámica es diferente en cada ciclo. Esto es crucial para la extracción de trabajo, como lo demostramos en nuestro trabajo ".

En su papel Manzano, Roldan y sus colegas muestran que el demonio de los juegos de azar que se dieron cuenta se puede utilizar para extraer trabajo de un sistema termodinámico más allá de su libre cambio de energía. Usando la teoría de la martingala, calcularon la extracción de trabajo promedio que estos demonios pueden lograr y probaron sus predicciones en un experimento.

En este experimento, los investigadores analizaron los datos de series de tiempo recopilados mediante un transistor de un solo electrón. Luego aplicaron estrategias de juego basadas en mediciones del trabajo realizado en el transistor. En otras palabras, cuando el trabajo excedió un umbral específico, el demonio detuvo la dinámica del sistema; de lo contrario, continuó su evolución durante un período de tiempo mayor (fijo).

"Nuestro trabajo implica que la conversión de información a trabajo se puede realizar en sistemas donde no se dispone de un control preciso de la dinámica, Manzano dijo. "Esto amplía enormemente el alcance del escenario original de Maxwell y aclara los ingredientes mínimos necesarios para vincular la información y la termodinámica".

La idea de los demonios del juego y las relaciones universales de desequilibrio descritas en el artículo podrían aplicarse a varias áreas de estudio. En el contexto específico al que lo aplicaron, el demonio podría detener la dinámica de un sistema siguiendo una estrategia. Sin embargo, las relaciones que describieron también podrían aplicarse a sistemas en los que la dinámica se detiene naturalmente cuando se cumple una condición específica, como los sistemas biológicos.

"La idea clave de nuestro estudio es que, contrariamente a las creencias hasta ahora, no es necesario aplicar retroalimentación para extraer trabajo más allá del cambio de energía libre, ", Dijo Roldan." Esto se puede hacer aplicando estrategias de juego adecuadas y mostramos cuánto trabajo se puede extraer de ellas. Notablemente, Nuestros hallazgos sugieren que la cantidad de trabajo que uno puede extraer a través del juego está limitada por una medida de la asimetría temporal del proceso físico, tan dinámicas altamente irreversibles (lejos del equilibrio) pueden conducir a grandes valores de extracción de trabajo, al igual que las oportunidades de arbitraje en el mercado de valores ".

En el futuro, el nuevo enfoque basado en el juego propuesto por Manzano, Roldan y sus colegas podrían usarse para mejorar la eficiencia de motores y motores térmicos microscópicos. En sus próximos estudios, los investigadores planean analizar los resultados que recolectaron desde el punto de vista de la física cuántica. Su trabajo podría allanar el camino hacia el desarrollo de estrategias basadas en el juego para la investigación y el desarrollo de tecnología que superen a los métodos más convencionales.

"Creemos que nuestro estudio es un primer paso en el desarrollo de nuevas posibilidades para protocolos eficientes de recolección de energía a nanoescala, que puede utilizar nuestro conocimiento fundamental sobre cómo sacar provecho de las fluctuaciones utilizando estrategias inteligentes de procesamiento de información, "Dijo Roldan.

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