При каквато и да е температура над абсолютната нула всички частици в определена система започват да се движат произволно. Това явление се нарича топлинно колебание. Заради случайния си характер, флуктуациите не могат да бъдат използвани в сферата на механиката.
През 19-ти век обаче шотландският физик и математик Джеймс Кларк Максуел замислил създаването на малък интелигентен „демон”, който да улавя топлинните колебания и да ги превръща в нещо полезно, пише arstechnica.com. По-късно, през 20-ти век, се установило, че „духът” сам по себе си трябва да притежава ефекта на ентропията (мярка за безпорядък в една термодинамична среда), за да се поддържа нужният баланс.
На практика това, което е започнало като мисловен експеримент преди около век и половина, сега може да намери приложение в много микроскопични системи. Съвременните изследователи дори заменят умният „демон” с просто квантово-механично устройство, което може да манипулира топлинните колебания и да записва действията им в някакъв вид памет.
Дибинду Мандал и Кристофър Джарзински от университета на Мериленд вече са показали теоритично, че можем да направим въпросния квантов „дух”, който да извлича използваема енергия от топлинните флуктуации, да съхранява информация за техните действия и след това да изтрива запаметеното. „Демонът” също така би бил полезен за контролиране на обратната връзка, за създаване на нано-устройства и за изпълнение на други функции там, където топлинните колебания са от значение.
Изследователите предлагат квантова система с три възможни конфигурации. При липсата на взаимодействия, „демонът” преминава произволно между нива, обозначени с A, B и C. За да бъде управляван, „духът” се свързва към термичен резервоар – материал, който понася топлинни флуктуации. Освен това „демонът” се съединява и с маса, която може да се движи нагоре и надолу, както и с поток от битове, идващи от неопределен източник на данни.
Когато връзката между „духа” и другите елементи е слаба или изключена, „демонът” може да премине или от A към B, или от A към C. Някои известни взаимодействия обаче могат да причинят преход, характеризиращ се със строго определена посока. Така „демонът” е способен да се движи по часовниковата стрелка – от A до B през C, връщайки се накрая отново в A – както и обратно – от A до C през B, завършвайки пътя си отново в A.
Потокът от данни се състои от битовите стойности 0 или 1 и поради тази причина състоянието на цялата система може да бъде описано чрез комбинацията от тях и положението на „демона”. Съответно имаме A0, A1, B0 и т.н. Без свързване на масата и топлинния резервоар към „духа”, се появяват спонтанни преходи от A към B и обратно или от B към C и обратно.
Трябва да се отчете, че малки колебания в стойностите на битовете могат да променят положението на „демона”, както и че неговите преходи са в сила да изменят битовете. Например, ако системата е в състояние C0 и следващият бит в редицата е със стойност 1, то тя е принудена да премине в положение A0. Ако пък в началото е в A1, а поредният бит е в състояние 0, системата влиза в положение C1. Взаимодействието между потока от битове и „духа” не само се отразява на състоянието на последния, но и записва изходящите данни. Така се сформира паметта на системата.
Термичният резервоар и масата оставят всичко това непокътнато, но правят някои преходи по-често срещани от други. Масата се движи нагоре, когато „демонът” преминава от C към A, и надолу, когато отива от A в C. По-високите температури в резервоара доставят повече енергия в системата, създавайки по-голяма вероятност за увеличаване на масата. Обратно, при по-ниски температури системата не би могла да се снабди с достатъчно захранване.
С други думи, преходите не се случват автоматично – някои дори биват забранени, ако топлинните флуктуации са прекалено ниски. Студен резервоар е в сила да блокира движението по посока на часовниковата стрелка, докато при по-високи температури има тенденция към поддържане на масата на висока позиция, блокирайки движението обратно на часовниковата стрелка. По този начин термичните колебания – случайни и понякога разрушителни за чувствителните системи- биха могли да бъдат полезни, увеличавайки масата.
Всичко това, от своя страна, оказва влияние върху изходните битове. Високите температури правят така, че „демонът” да проявява свойствата на гума за изтриване: независимо от въведените данни, след като блокът е бил повдигнат до своята максимална позиция, „демонът” ще върне поток от всички нули. При други условия „духът” би придал произволен характер на изходния поток.
Така „демонът” може да превръща случайни колебания в нещо полезно, да записва действията им в изходния поток и да изтрива направеното досега. Всъщност записването и изтриването са важни стъпки за запазване на втория закон за термодинамиката, според който ентропията на цялата система – „демонът”, термичния резервоар, потока от данни и масата – трябва да се увеличи, дори при положение, че „духът” понижава ентропията на резервоара, извличайки полезна от него енергия.
Въпреки че, действието на тази система засега е чисто теоритично, все пак за пръв път се разработват детайлите на квантовата версия на „демона” на Максуел. Определено аспектите в работата на Дибинду Мандал и Кристофър Джарзински са интересни – те показват как в бъдеще квантовата информация може да намери приложение и как един мисловен експеримент от 19-ти век може да се окаже доста полезен в сегашния свят.