微型引擎利用噪音将信息转化为燃料

过多的背景噪音通常会扰乱工作。但是物理学家已经开发出一种由玻璃珠制成的微型发动机，它不仅可以承受噪音的干扰影响，而且可以利用它高效运行。他们的实验发表在《物理评论快报》杂志上，并被该杂志选为研究亮点。

在日常生活中，我们熟悉消耗燃料以定向方式运动从而执行有用工作的发动机和马达。但在微观世界中事情要复杂得多，在微观世界中，以热量形式出现的噪音很容易破坏事物。

“热量使小型机器的组件一直来回摇晃，”资深作者、不列颠哥伦比亚省本拿比市西蒙弗雷泽大学的量子物理学家、物理学智囊团FQXi基础问题研究所成员JohnBechhoefer解释道.因此，通常这种来自环境热量的热噪声的影响是减少微型发动机可以产生的有用功量。

但是有一个特殊的微型机器家族，称为“信息引擎”，实际上可以利用噪音以定向方式移动。信息引擎的作用是测量由热量引起的微小运动，并使用该信息有选择地加强那些按照机器要求的“正确”方式进行的运动。

“信息引擎是一种将信息转化为工作的机器，”Bechhoefer说。

物理学家和工程师对构建这种微型信息利用电机来设计用于纳米技术应用的新型微型机器感到兴奋。“人们对从自然进化的生物分子机器中汲取灵感非常感兴趣，”共同作者、SFU的物理学家大卫·西瓦克(DavidSivak)说。“我们的工作提高了我们对信息如何在此类机器中使用的理解，指出了可持续能源收集或更高效的计算机存储和计算的可能用途。”

“信息引擎是一种将信息转化为工作的机器，”JohnBechhoefer说。

Bechhoefer、Sivak和他们在SFU的同事TusharSaha、JosephLucero和JannikEhrich使用悬浮在水中的微型玻璃珠(大约细菌大小)构建了一个信息引擎。珠子被激光束松散地固定在适当的位置，激光束就像光束下方的支撑物一样。由于液体中的自然热波动，水中的分子轻轻地推动珠子，珠子每隔一段时间就会被抖动。

诀窍来了：当团队测量到珠子由于热波动而抵抗重力向上移动时，他们会升高激光支撑。在这个更高的位置，珠子现在有更多的储存能量，或重力势能，就像一个被举起来准备落下的球。

该团队不必费力将粒子举起;由于水分子的抖动，该运动自然发生。因此，发动机利用有关珠子运动的反馈来调整激光陷阱，将水中的热能转化为储存的重力势能。“是否应该升高陷阱的决定，如果是的话，取决于我们收集的关于珠子位置的信息，珠子作为发动机的'燃料'，”主要作者萨哈说。

这就是它原则上的工作方式，但如果系统中因用于定位珠子的激光束的亮度而产生过多的测量噪声，则很难正确实施该策略。在这种情况下，每次测量的珠子位置的不确定性可能大于抖动的水分子产生的珠子运动。“测量噪声会导致误导反馈，从而降低性能，”Saha说。

“贝叶斯”信息引擎

典型的信息引擎使用基于珠子位置的最后测量的决策的反馈算法，但是当测量误差很大时这些决策可能是错误的。在他们最近的论文中，该团队想要调查是否有办法解决这个破坏性问题。

他们开发了一种反馈算法，该算法不仅仅依赖于对珠子最后位置的直接测量——因为这种测量可能不准确——而是基于基于所有先前测量的对珠子最后位置的更准确测量。因此，这种过滤算法能够在进行估计时允许测量误差——称为“贝叶斯估计”。

Lucero说：“通过以一种涉及珠子动力学模型的智能方式组合许多嘈杂的测量值，可以恢复对真实珠子位置的更准确估计，从而显着减轻性能损失。”

在PhysicalReviewLetters报道的新实验中，该团队证明，当测量误差较大时，基于这些贝叶斯估计应用反馈的信息引擎的性能明显优于典型的信息引擎。事实上，如果测量误差太大，大多数典型的信息引擎都会停止。

Ehrich说：“我们惊讶地发现，当测量误差超过临界阈值时，原始引擎将无法再作为纯粹的信息引擎运行：最好的策略就是举手不做。”“相比之下，无论测量误差有多大，贝叶斯信息引擎都能够勉强做出一些小的积极工作。”

贝叶斯信息引擎即使在测量误差很大的情况下也能提取能量，这是要付出代价的。由于贝叶斯引擎使用所有先前测量的信息，因此它需要更多的存储容量并涉及更多的信息处理。

“需要权衡取舍，因为减少测量误差会增加从波动中提取的工作量，但也会增加信息处理成本，”Ehrich说。因此，该团队在中间水平的测量误差下发现了最大效率，他们可以在不需要太多处理的情况下实现良好的能量提取水平。

“人们对从自然进化的生物分子机器中汲取灵感非常感兴趣，”DavidSivak说。

该团队现在正在研究，如果为发动机“提供燃料”的噪音不是由热量引起的，情况可能会发生怎样的变化。“我们正在准备一篇论文，研究当波动不再仅仅是热波动时最佳反馈策略和性能如何变化，”Saha说，“但也由于周围环境中的活性能量消耗而产生，就像活细胞中的情况一样”