Корейские физики испытали «информационный двигатель»

Традиционно максимум эффективности, с которой двигатель может превращать энергию в работу, ограничен вторым законом термодинамики. Однако эксперименты последних 10 лет показали, что эту границу можно перейти, если двигатель сможет получать информацию из окружающей среды и превращать ее в работу. Эти «информационные двигатели» (или «демоны Максвелла», в честь первого, кто предложил такой мысленный эксперимент) возможно реализовать благодаря фундаментальной связи информации и термодинамики, которую ученые еще только пытаются осознать в полной мере.

Обобщенный второй закон термодинамики утверждает, что работа, полученная из «информационного двигателя», ограничена суммой двух компонентов: первый — это разница свободной энергии между финальным и начальным состоянием (это единственное ограничение, наложенное на обычные двигатели традиционным вторым законом термодинамики) и объем доступной информации (эта часть устанавливает верхний предел дополнительной работы, которую можно получить из информации). Однако, до сих пор не существовало никакой экспериментальной информации по этим вопросам.

Для достижения максимальной эффективности, предсказанной обобщенным вторым законом термодинамики, ученые разработали и привели в действие «информационный двигатель», сделанный из частицы, пойманной светом при комнатной температуре. Случайные температурные флуктуации вызывают броуновское движение частицы, а фотодиод следит за изменением ее положения с точностью 1 нм. Если частица отходит на определенное расстояние от начального положения, свет движется в ее направлении. Процесс повторяется, так что со временем двигатель переносит частицу в желаемое направление просто получая работу из информации о случайных температурных колебаниях системы (компонент свободной энергии тут равен нулю, так что он не влияет на полученную работу).

Одно из самых важных свойств этой системы — почти мгновенный отклик: ловушка сдвигается всего за долю миллисекунд, не давая частице продвинуться дальше и рассеять энергию. В результате почти нет потери энергии. Таким образом, производительность процесса достигает приблизительно 98,5% от предела, установленного обобщенным вторым законом термодинамики. Помимо важности для фундаментальной физики, это исследование имеет и практическую ценность, например, для нанотехнологий или создания гибридных биологических систем, в которых информация используется для управления молекулярными процессами, пишет Phys.org.

Ученые из МФТИ и РАН полагают, что в квантовых системах второй закон термодинамики может локально нарушаться. Но если в классической физике уменьшение энтропии связано с передачей тепловой энергии, то в квантовом мире снижение энтропии может происходить без передачи энергии — за счет квантовой запутанности.