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Zeitliche Verzögerungen haben fundamentale Einschränkungen auf die Effizienz des Dämons © M. Debiossac, S. Lindner/UniWien
Zeitliche Verzögerungen haben fundamentale Einschränkungen auf die Effizienz des Dämons © M. Debiossac, S. Lindner/UniWien

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Wenn Maxwell's Dämon sich Zeit lässt

07.04.2020

Wissenschaftler der Universitäten Wien und Stuttgart haben eine Version von Maxwell's Dämon untersucht, die auf verzögerter Feedback-Kontrolle einer schwebenden Mikrokugel basiert. Sie konnten dabei neue fundamentale Einschränkungen bestätigen, die zeitliche Verzögerungen auf die Effizienz des Dämons haben, welche nicht durch die herkömmlichen Gesetze der Thermodynamik beschrieben werden können. Das Team von Wissenschaftlern veröffentlicht seine Ergebnisse im Fachjournal Nature Communications.

Maxwell's Dämon ist ein hypothetisches, intelligentes Wesen, das die Fähigkeit besitzt, die Bewegungen einzelner Moleküle zu messen und darauf zu reagieren. In seinem Gedankenexperiment stellte sich James Clerk Maxwell einen Dämon vor, der eine kleine Tür zwischen zwei gasgefüllten Kammern kontrolliert. Indem er nur die schnellen, heißen Gasmoleküle in eine der Kammern passieren lässt, trennt der Dämon kaltes von heißem Gas und reduziert dabei die Unordnung, Entropie, des Systems in einem scheinbaren Widerspruch zum zweiten Gesetz der Thermodynamik.

Heutzutage lässt sich das Gedankenexperiment von Maxwell's Dämon z.B. durch ein mikroskopisch kleines Teilchen umsetzen, das durch Feedback kontrolliert wird. Das bedeutet, dass die Position des Teilchens gemessen wird, die Information gespeichert und dazu verwendet wird, um dem Mikroteilchen durch Anlegen einer geeigneten Feedback-Kraft Energie zu entziehen. In früheren Studien wurde jedoch nie die Reaktionszeit des Dämons berücksichtigt. Dies wirkt sich auf die Leistung des Dämons aus und sollte in realistischen Szenarien bedacht werden.

Basierend auf einer jüngsten theoretischen Studie von M.L. Rosinberg und T. Munakata, hat nun eine internationale Kooperation von Wissenschaftlern an der Universität Wien (Österreich) und der Universität Stuttgart (Deutschland) den Effekt solcher Zeitverzögerungen in einem thermodynamischen Ansatz eines Maxwell'schen Dämons untersucht. Die Wissenschaftler nutzten ein Mikroteilchen das durch Laserlicht zum Schweben gebracht wurde. Das Teilchen oszilliert in dieser optischen Pinzette im Vakuum und ist dabei zufälligen Stößen mit den Molekülen des Umgebungsgases ausgesetzt, der sogenannten Brownschen Bewegung. Der durch einen elektronischen Schaltkreis umgesetzte Dämon sammelt Informationen über das Mikroteilchen, indem er dessen Position verfolgt, und übt nach einer gewissen Zeit mit Hilfe eines zweiten Lasers eine entsprechende Feedback-Kraft auf das Mikroteilchen aus. Mit ihrem Experiment konnten die Wissenschaftler thermodynamische Größen wie beispielsweise ausgetauschte Wärme und Entropiefluss bestimmen. Ihre Resultate bestätigen erfolgreich die neuartige Version des zweiten Hauptsatzes unter Berücksichtigung der Zeitverzögerung. "Wir haben eine thermodynamische Herangehensweise genutzt, um die Rolle von Zeitverzögerungen in realistischen Feedbackschleifen zu verstehen. Dafür sind levitierte Mikroteilchen als Testsystem ideal, da sie eine ausgezeichnete Kontrolle über die Teilchendynamik erlauben", sagt Maxime Debiossac, Erstautor der Publikation.

Aus der neuen Studie folgt, dass der Entropiefluss neue Grenzen für die entzogene Energie festlegt, oder anders gesagt dafür, wie effizient der Dämon arbeiten kann. Zusätzlich zur Quantifizierung dieser Effizienz haben die Wissenschaftler beobachtet, dass der Dämon für sehr lange Verzögerungen selbst zufällige Bewegungen des Mikroteilchens verursacht, die sich von denen der üblichen Brownschen Bewegung unterscheiden. "Unsere Ergebnisse weisen auf thermodynamische Grenzen auch für jene Experimente hin, die Feedback nutzen wollen, um mechanische Systeme ins Quantenregime zu bringen," sagt Nikolai Kiesel, Leiter des Teams an der Universität Wien, "Wir sind also schon gespannt auf die Konsequenzen, die wir mit dieser Herangehensweise für das Quantenregime finden werden."

Publikation in Nature Communications:

M Debiossac, D Grass, JJ Alonso, E Lutz and N Kiesel, #Thermodynamics of continuous non-Markovian feedback control'.
Nature Communications 13.03.2020
DOI: 10.1038/s41467-020-15148-5

Wissenschaftlicher Kontakt

Ass. Prof. Dr. Nikolai Kiesel
Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation Fakultät für Physik
Universität Wien
1090 - Wien, Boltzmanngasse 5
+43-1-4277-72534
nikolai.kiesel@univie.ac.at

Dr. Maxime Debiossac
Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation Fakultät für Physik
Universität Wien
1090 - Wien, Boltzmanngasse 5
+43-1-4277-51206
maxime.debiossac@univie.ac.at
 
Rückfragehinweis
Mag. Alexandra Frey
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