迷你发动机利用噪音将信息转化为燃料

太多的背景噪音通常保证会扰乱工作。但是FQXi资助的物理学家已经开发出了一个微型引擎--由玻璃珠制成--不仅可以承受噪音的干扰影响，而且可以利用它来高效运行。他们的实验在《物理评论快报》杂志上报道，并被该杂志选为研究亮点。

在日常生活中，我们熟悉发动机和马达，它们消耗燃料以定向方式移动，从而执行有用的工作。但是在微观世界中，事情就比较复杂了，在那里，以热的形式出现的噪音很容易使事情失败。高级作者John Bechhoefer解释说，他是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，也是物理学智囊团FQXi的成员，"热量使小型机器的部件一直来回晃动"。因此，通常情况下，这种来自环境中的热量的热噪音的影响是减少一个微小的引擎可以产生的有用的功。

但是，有一个特殊的微观机器家族，被称为 "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引起的小运动，并利用这些信息有选择地加强那些走 "正确 "道路的运动，朝着机器要求的方向前进。"Bechhoefer说："信息引擎是一种将信息转换为工作的机器。

物理学家和工程师们对建造这种微小的信息利用电机来设计纳米技术应用的新型微观机器感到兴奋。"共同作者、也是SFU的物理学家大卫-西瓦克(David Sivak)说："人们对从自然界进化出的生物分子机器中获取灵感有很大兴趣。"我们的工作推进了我们对信息如何在这种机器中被利用的理解，指出了可持续能源收集或更有效的计算机存储和计算的可能用途。

Bechhoefer、Sivak和他们在SFU的同事Tushar Saha、Joseph Lucero和Jannik Ehrich利用一个悬浮在水中的微型玻璃珠--大约是一个细菌的大小--建立了一个信息引擎。这颗珠子被一束激光松散地固定住，这束激光就像光束下的支架。由于液体中的自然热波动，水里的分子轻轻地推搡着这颗珠子，每隔一段时间，这颗珠子就会被撞飞起来。诀窍就在这里。当研究小组测量到珠子由于热波动而在重力作用下向上移动时，他们会提高激光支架。在这个较高的位置，珠子现在有更多的储存能量，或重力势能，就像一个被举起的球，准备掉落。该团队没有必要耗费工作来提升粒子;由于水分子的抖动，该运动自然发生。因此，该引擎将水的热能转化为储存的重力势能，利用关于珠子运动的反馈来调整激光捕集器。"主要作者Saha说："关于捕集器是否应该提高，以及如果提高多少的决定，取决于我们收集的关于珠子位置的信息，这些信息充当了发动机的 "燃料"。

这就是它的工作原理，但是如果有太多的测量噪音，即系统中用于定位珠子的激光束的亮度产生的噪音，那么正确地实施这一策略就很困难。在这种情况下，每次测量中珠子位置的不确定性可能大于水分子抖动产生的珠子运动。"萨哈说："测量噪音导致了错误的反馈，从而降低了性能。

贝叶斯 "信息引擎

典型的信息引擎使用反馈算法，该算法以珠子位置的最后一次测量为基础进行决策，但当测量误差较大时，这些决策可能是错误的。在他们最近的论文中，该团队想研究是否有办法绕过这个破坏性的问题。他们开发了一种反馈算法，该算法并不简单地依赖于对珠子最后位置的直接测量--因为这种测量可能是不准确的--而是基于所有先前的测量，对珠子的最后位置进行更准确的测量。因此，这种过滤算法在进行估计时能够考虑到测量误差，即所谓的 "贝叶斯估计"。

"Lucero说："通过以一种涉及珠子动态模型的智能方式结合许多噪音测量，人们可以恢复对真实珠子位置的更准确的估计，大大减轻性能损失。

在 《物理评论快报》报道的新实验中，该团队证明了当测量误差较大时，基于这些贝叶斯估计的反馈应用的信息引擎的表现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会停止。"我们惊讶地发现，当测量误差超过一个临界阈值时，天真的引擎就不能再作为一个纯粹的信息引擎运行了：最好的策略就是简单地举手投降，什么都不做，"Ehrich说。"相比之下，贝叶斯信息引擎能够挤出一些小的积极工作，无论测量误差有多大"。

贝叶斯信息引擎即使在测量误差较大的情况下也能提取能量，这是有代价的。由于贝叶斯引擎使用来自所有先前测量的信息，它需要更多的存储容量并涉及更多的信息处理。"Ehrich说："出现了一种权衡，因为减少测量误差增加了可从波动中提取的工作，但也增加了信息处理成本。因此，该团队在测量误差的中间水平发现了最大的效率，在那里他们可以实现良好的能量提取水平，而不需要过多的处理。

实验和伴随的理论分析的部分资金来自基础问题研究所(FQXi)的资助，作为其"信息作为燃料 "计划的一部分。"Bechhoefer说："FQXi的资助使我们能够组建一个团队，其范围和资源足以承担这样一个规模的项目。"除了组装实验本身所需的设备外，这个项目在理论和实验之间有很多来回，需要参与的学生和博士后的全职关注。"

该团队现在正在研究，如果为发动机提供 "燃料 "的噪音来自热以外的东西，事情会如何变化。"我们正在准备一篇论文，研究当波动不再是简单的热效应时，最佳反馈策略和性能如何变化，"萨哈说，"而且还由于周围环境的主动能量消耗而产生，就像活细胞的情况一样。

这项工作通过FQXi的信息作为燃料计划得到了部分支持。 你可以在FQXi的基础问题研究所文章中阅读更多关于该团队的资助。"好的振动"，作者Colin Stuart。