Шум вместо топлива: как работают информационные двигатели и зачем они нужны

Публикация: 19.11.2022
Источник Комментарии

Шум вместо топлива: как работают информационные двигатели и зачем они нужны

Слишком много фонового шума обычно мешает работе. Но физики сделали что-то невероятное: разработали микродвигатель из стеклянных шариков, который не только противостоит влиянию отвлекающего фактора, но и использует его для эффективной работы. Об их эксперименте сообщается в журнале Physical Review Letters и в блоге Института фундаментальных вопросов FQXi.

Как работают обычные и микроскопические двигатели?

В повседневной жизни люди используют двигатели и моторы, которые потребляют топливо для направленного движения и, таким образом, выполняют полезную работу. В микроскопическом мире все сложнее. Там шум в виде тепла может все испортить.

Тепловой шум в окружающей среде заставляет компоненты небольших машин «все время качаться вперед и назад», объясняют ученые. В итоге, крошечный двигатель работает не так эффективно, как мог бы.

А что на счет информационных двигателей?

Существует особое семейство микроскопических машин, известных как информационные двигатели, которые используют шум для целенаправленного движения. Эту информацию они используют, усиливая «правильные» манипуляции машины. Простыми словами, информационный двигатель — это машина, которая преобразует информацию в работу.

Физикам и инженерам пригодятся такие крошечные двигатели для разработки новых микроскопических машин для нанотехнологических приложений. Главное, их разработать, чтобы они заменили обычные машины.

Авторы нового исследования продвинулись в этой работе. Они больше узнали о том, как информацию можно использовать в биомолекулярных машинах.

Что сделали ученые?

Ученые построили информационный двигатель, используя микроскопические стеклянные шарики размером с бактерию, взвешенные в воде. Шарик свободно удерживается на месте лазерным лучом, который действует как опора под ним. При этом, молекулы воды мягко толкают шарик из-за естественных тепловых колебаний в жидкости. Время от времени он «трясется».

И вот в чем хитрость: когда шарик поднимается против силы тяжести из-за тепловых колебаний, то меняется и положение опоры для лазера. В этом положении у шарика больше накопленной или гравитационной потенциальной энергии. Как у мяча, который готовится упасть.

Схематический информационный двигатель. (a) Шумовой детектор измеряет положение y шарика, фактически находящегося в 
точке x. Механизм, основанный либо на (b) зашумленном измерении положения y, либо (c) на байесовской оценке положения X̂ (синий пунктирный круг). Авторы и права: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601

Ученым даже не пришлось «поднимать» объект; это происходило естественным образом, благодаря колебаниям молекул воды. Таким образом, двигатель преобразовал тепло воды в накопленную гравитационную потенциальную энергию, используя обратную связь о движении шарика для настройки лазерной ловушки. «Решение о том, следует ли поднимать ловушку и насколько, зависит от информации, которую мы собираем о положении бусины. Она действует как “топливо” для двигателя», — объясняют ученые.

В чем сложность?

Так и работает система, но правильно реализовать эту стратегию сложно, если в системе слишком много шума измерения. Его создает яркость лазерного луча, который используют для обнаружения шарика. В таких случаях неопределенность его положения для каждого измерения может быть больше, чем движения объекта, вызванные колеблющимися молекулами воды. В итоге, измерительный шум приводит к ошибочной обратной связи и, тем самым, снижает производительность.

Типичные информационные механизмы используют алгоритмы обратной связи, которые основывают решения на последнем измерении положения шарика. Но они могут быть неверными, когда ошибки измерения слишком велики. Ученые как раз хотели выяснить, есть ли способ обойти эту проблему.

Есть ли решение?

Они разработали алгоритм обратной связи, который основывается не просто на прямом измерении последнего положения шарика (оно может быть неточным), а на всех предыдущих измерениях. Таким образом, этот алгоритм фильтрации учитывает ошибки измерения при выполнении байесовской оценки.

В математической статистике и теории принятия решений байесовская оценка решения — это статистическая оценка, которая минимизирует апостериорное математическое ожидание функции потерь. Проще говоря, она максимизирует апостериорное математическое ожидание функции полезности. Напомним, апостериорная вероятность — условная вероятность случайного события при условии того, что известны апостериорные данные, то есть полученные после какого-либо опыта.

Таким образом, комбинируя множество зашумленных измерений с использованием модели динамики шарика, можно восстановить более точную оценку его истинного положения. Это в разы снизит потери производительности.

«Байесовский» компромисс

В рамках исследования, ученые наглядно показали, что информационный механизм, который применяет обратную связь на основе этих байесовских оценок, работает в разы лучше, чем обычные информационные машины, когда ошибки измерения слишком велики. Большинство типичных информационных двигателей в таком случае просто остановятся.

Это удивило ученых. Когда ошибки измерения превышают критический порог, наивная машина больше не работает как чисто информационная. «Лучшая стратегия для нее — просто опустить руки и ничего не делать», — пишут исследователи. А вот байесовская модель выполняет работу независимо от величины ошибки измерения, хоть и небольшую.

Производительность информационных двигателей. (а) Выходная мощность наивного (красный) и байесовского (синий) информационных двигателей. Полые красные маркеры обозначают выходную мощность при α равно 0. (b) Разница в скорости извлечения выходной работы для байесовского и наивного двигателя, масштабированных по максимальной скорости.
Авторы и права: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601

Конечно, за способность байесовского информационного двигателя извлекать энергию даже при больших ошибках измерения приходится «платить». Поскольку такой механизм использует информацию из всех предыдущих измерений, ему требуется больше места для хранения и времени для обработки информации.

И это логично. Минимизация ошибок измерения увеличивает не только работу, извлекаемую из колебаний, но и затраты на обработку информации. В итоге, ученые нашли идеальный баланс — максимальную эффективность при промежуточном уровне ошибки измерения, когда можно достичь хорошего уровня извлечения энергии. При этом, затрат на обработку данных не требуется.

Сейчас ученые исследуют, как на работу двигателя повлияет шум, который возникает не из-за тепла, а от других факторов. 

Читать далее:

Почему Луна, а не Марс: главное о миссии «Артемида-1» и зачем она нужна

Древний амулет переписал историю самого загадочного языка Европы

Главную теорию происхождения человека опровергли: откуда мы появились


Понравилась статья? Поделись с друзьями!

LongReef Team Автор статьи: LongReef Team
46
Нет Комментариев.
Но, вы можете быть первыми кто его оставит

Авторизуйся что бы оставить свой коммент...

Популярные Статьи

«Хайтек» пообщался с онлайн-университетом Skypro и узнал, на что обратить внимание людям, которые...
03.12.2022
Одна из самых давних фундаментальных загадок биологии связана с плохо изученным происхождением...
01.12.2022
Амеба заражает людей, попадая в организм через нос, а затем — в мозг. Сейчас ее находят в штатах,...
30.11.2022
Рассказываем, что происходит с наукой в экстремальных условиях регионов России.
28.11.2022
Ученых по всему миру занимают одни и те же темы — они занимаются проблемами, которые улучшат наше...
28.11.2022
В России каждый день тысячи исследователей работают над новыми открытиями. Но многие из них,...
28.11.2022
Как скоро людей заменят роботы? На какой стадии развития находится искусственный интеллект? К чему...
26.11.2022
Исследователи впервые установили форму галактического гало Млечного Пути. Разреженная невидимая...
25.11.2022
Ученые впервые создали материал, который имитирует мозгоподобные вычисления в самом мельчайшем...
24.11.2022
Смартфоны и цифровая революция изменили то, как мы воспринимаем реальность и общаемся друг с...
24.11.2022
Международное бюро мер и весов подготовило дорожную карту по изменению определения секунды. По...
23.11.2022
Астрофизики РУДН собрали важнейшие открытия современной космологии с 1917 года по наше время....
23.11.2022
Астрофизики представили новую теорию, которая раскрывает историю формирования сверхмассивных звезд...
20.11.2022
Столкновение магнитного поля планеты со звездным ветром вызывает не только красивое природное...
18.11.2022
Статистика показывает, что большая часть пользователей не уделяет внимания кибергигиене и отношению...
16.11.2022
Финские ученые и инженеры открыли новый тип сверхпроводящих кубитов — унимон. «Хайтек»...
16.11.2022
Исследователи разработали самую подробную карту человеческого мозга из когда-либо созданных. Особое...
15.11.2022
Количество людей, проживающих по всему миру, увеличилось в 4 раза меньше чем за 100 лет. «Хайтек»...
15.11.2022
Буткемпы подразумевают интенсивное обучение новой профессии: они позволяют освоить азы...
14.11.2022
Нейтринная обсерватория IceCube помогла ученым впервые заглянуть в сердце активной галактики NGC...
12.11.2022
ООН опубликовало предварительный отчет о том, что происходило с климатом последнее время. «Хайтек»...
10.11.2022
Тысячи лет люди пытаются выяснить, откуда произошли люди и все живое на Земле. Есть основная...
09.11.2022
Ученые совершили прорыв в медицине: эритроциты, выращенные в лаборатории, наконец-то перелили...
09.11.2022
Прошла почти неделя после того, как довольный Илон Маск принес раковину в офис Twitter. С тех пор...
08.11.2022
Когда дроны только появились, исследователи даже не понимали их полного потенциала. А теперь эти...
07.11.2022
Необычное астрономическое явление, кажется, подтверждает альтернативную теорию гравитации, также...
06.11.2022
Раз в тысячу лет Земля страдает от загадочных радиационных бурь. Что их вызывает — неизвестно,...
06.11.2022
Сотрудникам Университета Дании удалось сжать свет в 12 раз ниже предела дифракции в диэлектрическом...
05.11.2022
Исследователи из Великобритании, США, Австралии и Италии провели детективное расследование, чтобы...
04.11.2022
Впервые физики наблюдали новые квантовые эффекты в топологическом изоляторе при комнатной...
04.11.2022
Спутники на протяжении десятилетий отслеживают, как меняется климат на планете. Но этим влияние...
03.11.2022
Большие данные открывают новые возможности в мире технологий все более быстрыми темпами. Это уже...
03.11.2022
При столкновении нейтронных звезд происходит много интересного. Теперь ученые придумали, как...
03.11.2022
Сотрудники Института развития мозга им. Либера утверждают, что разгадали загадку шизофрении...
02.11.2022
Астрофизики обнаружили в звездных скоплениях необычное поведение, которое нельзя объяснить с точки...
02.11.2022
Китай завершает строительство собственной космической станции. 31 октября на орбиту отправлен...
01.11.2022
За нейроморфными устройствами — будущее, однако создать их не так уж просто. Однако физики...
31.10.2022
Бессонница также может быть связана с заболеваниями или приемом определенных лекарств. Лечение...
31.10.2022
Если ученые поймут, как менять вращение протона, это изменит многое. Однако на пути к этому...
29.10.2022
Физики создали первый экзотический конденсат Бозе — Эйнштейна. Это открытие окажет влияние на...
28.10.2022
Самая известная картина Леонардо да Винчи привлекает миллионы туристов загадочным взглядом, который...
28.10.2022
Ученые часто говорят об «апокалипсисе насекомых». «Хайтек» изучил исследования последних пяти лет,...
27.10.2022
Согласно 20-летнему исследованию, проведенному в Швеции, средиземноморская диета не снижает...
26.10.2022
Тень Луны пересекла фактически всю Евразию во время второго и последнего в 2022 году солнечного...
25.10.2022
Инженеры из Университета Дьюка разработали новую систему доставки для лечения рака, чтобы вылечить...
25.10.2022
В 2013 году коллаборация IceCube сообщила об уникальном наблюдении. Его не могли объяснить почти 10...
25.10.2022
Примерно в 80-140 км от побережья в Намибии есть миллионы сказочных кругов — круглые промежутки в...
25.10.2022
Человек с мертвым мозгом, то есть с полным отсутствием мозговой активности, может казаться просто...
25.10.2022
Новое исследование показало, что всего шесть минут пассивно отслеживаемых данных о перемещениях в...
24.10.2022
Недалеко от Земли есть планета, известная как Проксима Центавра b. Возможно, там есть жизнь, но мы...
24.10.2022
Последнее в 2022 году Солнечное затмение произойдет 25 октября. Затмение будет частным, но в...
24.10.2022
К сожалению, в последнее время теория плоской Земли набирает популярность. «Хайтек» рассказывает,...
23.10.2022
Менее чем за 10 лет с момента секвенирования полного генома неандертальца, ученые узнали много о...
21.10.2022
Международная группа физиков впервые подтвердила важное теоретическое предсказание в квантовой...
21.10.2022
Сейчас на Марсе работает несколько миссий. Его фотографируют, по поверхности планеты катаются...
20.10.2022
Ученые извлекли ДНК из останков людей, захороненных в чумных ямах, которые использовались для...
20.10.2022
В пятницу, 21 октября, звездный дождь Орионид достигнет своего пика в этом году. Жители Земли в...
20.10.2022
Недостаток сна, как и нарушение его режима, серьезно влияют на физическое и психическое здоровье....
18.10.2022
Земля пережила несколько глобальных вымираний, но одно потрясло ее большое остальных. После него...
14.10.2022
Каменные резные фигуры, установленные на острове Пасхи, пострадали в результате лесного пожара....
13.10.2022