背景噪音太大通常会影响工作。但物理学家已经开发出一种微型发动机——由玻璃珠制成——它不仅能承受噪音的干扰影响，还能有效地利用噪音来运转。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，我们都熟悉发动机和马达，它们消耗燃料以有方向地运动，从而完成有用的工作。但在微观世界中，情况要复杂得多，在微观世界中，以热的形式存在的噪音很容易破坏事物。
“热量使小型机器的部件一直来回摆动，”资深作者约翰·贝赫夫解释说。他是不列颠哥伦比亚省伯纳比西蒙·弗雷泽大学的量子物理学家，也是物理智库FQXi基础问题研究所的成员。因此，通常情况下，环境中的热噪声会减少小型发动机所能产生的有用功。
但有一种特殊的微型机器，叫做“信息引擎”，它实际上可以利用噪音进行定向运动。信息引擎通过测量由热量引起的微小运动，并利用这些信息有选择地强化那些朝着机器要求的“正确”方向前进的运动。
Bechhoefer说:“信息引擎是将信息转化为工作的机器。”
物理学家和工程师们对建造这种微型信息控制电机来设计用于纳米技术应用的新型微观机器感到兴奋。“从自然界进化出的生物分子机器中获取灵感是非常有趣的，”合著者大卫·西瓦克(David Sivak)说，他也是SFU的物理学家。“我们的工作促进了我们对信息如何在这类机器中利用的理解，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。”
“信息引擎是将信息转化为工作的机器，”John Bechhoefer说。
Bechhoefer, Sivak和他们在SFU的同事Tushar Saha, Joseph Lucero和Jannik Ehrich利用悬浮在水中的细菌大小的微型玻璃珠建造了一个信息引擎。激光光束将珠子松散地固定在某处，就像光束下的支架一样。由于液体中自然的热波动，水中的分子轻轻地挤压着珠子，每隔一段时间，珠子就会被撞击。
诀窍来了:当团队测量到珠子由于热波动而反重力向上移动时，他们就会提高激光支架。在这个较高的位置，珠子现在有更多绿软分享吧的储存能量，或重力势能，就像一个球被举起，随时准备下落。
该团队不需要花费大量的工作来提升粒子;这种运动是由于水分子的颤动而自然发生的。因此，发动机将来自水中的热能转化为储存的重力势能，利用珠的运动反馈来调整激光阱。主要作者Saha说:“陷阱是否应该升起，如果升起多少，取决于我们收集到的关于珠子位置的信息，这些信息就像发动机的‘燃料’。”
这就是它的工作原理，但如果系统中用于定位珠子的激光束的亮度产生了太多的测量噪声，那么正确地执行该策略就很困难。在这种情况下，每次测量珠子位置的不确定度可能比水分子晃动产生的珠子运动更大。“测量噪声会导致错误的反馈，从而降低性能，”Saha说。
“贝叶斯”信息引擎
典型的信息引擎使用反馈算法，基于最后一次测量珠子位置的决策，但当测量误差很大时，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，它不是简单地依赖于珠子最后位置的直接测量——因为这种测量可能是不准确的——而是基于所有之前的测量来更精确地测量珠子的最后位置。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:“通过以一种包含珠的动力学模型的智能方式结合许多噪声测量，可以恢复对珠的真实位置的更准确的估计，大大减少了性能损失。”
じゅぎょうさんかん安卓直装 在他们的新实验中，据《物理评论快报》报道，该团队证明，当测量误差很大时，基于贝叶斯估计的反馈应用于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，当测量误差超过一个临界阈值时，原始引擎就不能再作为一个纯粹的信息引擎运行:最好的策略就是简单地放弃你的双手，什么都不做。”“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完成一些小的积极工作。”
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的信息来自所有以前的测量，它需要更多的存储容量，涉及更多的信息处理。
Ehrich说:“由于减少测量误差增加了从波动中提取的工作量，但也增加了信息处理成本，因此产生了权衡。”因此，研究小组发现，在测量误差处于中等水平时，效率最高，他们可以获得良好的能量提取水平，而不需要太多的处理。
David Sivak说:“从自然进化的生物分子机器中获取灵感是非常有趣的。”
该团队目前正在调查，如果发动机的“燃料”噪音不是来自热量，那么情况会发生怎样的变化。“我们正在准备一篇论文，研究当波动不再是简单的热波动，而是由于周围环境的主动能量消耗而产生时，最佳反馈策略和性能如何变化，”Saha说，“就像在活细胞中一样。”
仙踪林网站免费入口欢迎您更多信息:Tushar K. Saha等人，优化利用噪声测量的贝叶斯信息引擎，物理评论快报(2022)。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.129.130601
由FQXi基础问题研究所提供
引用本文:微型发动机利用噪声将信息转化为燃料(2022年，11月14日)，检索自2022年11月14日https://phys.org/news/2022-11-mini-engine-exploits-noise-fuel.html
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