Pārāk liels fona troksnis parasti traucē, bet fiziķi ir izdarījuši kaut ko neticamu: viņi ir attīstījušies
Kā darbojas parastie un mikroskopiskie motori?
Ikdienas dzīvē cilvēkiizmantot dzinējus un motorus, kas patērē degvielu virzītai kustībai un tādējādi veic noderīgu darbu. Mikroskopiskajā pasaulē viss ir sarežģītāk. Tur troksnis siltuma veidā var visu sabojāt.
Termiskais troksnis vidē izraisaZinātnieki skaidro, ka mazo automašīnu sastāvdaļas "visu laiku šūpojas uz priekšu un atpakaļ". Tā rezultātā mazais dzinējs nedarbojas tik efektīvi, kā varētu.
Kā ar informācijas dzinējiem?
Ir īpaša mikroskopisko saimemašīnas, kas pazīstamas kā informācijas dzinēji, kas izmanto troksni, lai virzītu mērķtiecīgu kustību. Viņi izmanto šo informāciju, pastiprinot “pareizās” manipulācijas ar mašīnu. Vienkārši izsakoties, informācijas dzinējs ir mašīna, kas pārvērš informāciju darbā.
Fiziķiem un inženieriem tie būs noderīgisīki motori, lai izstrādātu jaunas mikroskopiskas iekārtas nanotehnoloģiju lietojumiem. Galvenais ir tos izstrādāt tā, lai tie aizstātu parastās mašīnas.
Jaunā pētījuma autori ir virzījuši šo darbu tālāk. Viņi uzzināja vairāk par to, kā informāciju var izmantot biomolekulārajās mašīnās.
Ko zinātnieki ir izdarījuši?
Zinātnieki ir izveidojuši informācijas dzinējuizmantojot ūdenī suspendētas mikroskopiskas stikla lodītes, kuru izmērs ir kā baktērijas. Bumbu brīvi notur lāzera stars, kas darbojas kā atbalsts zem tās. Tajā pašā laikā ūdens molekulas maigi spiež bumbu, pateicoties šķidruma dabiskajām termiskajām vibrācijām. Ik pa laikam viņš "krata".
Un šeit ir triks:Kad bumba paceļas pret gravitāciju termisko vibrāciju dēļ, mainās arī lāzera balsta stāvoklis. Šajā pozīcijā bumbai ir vairāk uzkrātās vai gravitācijas potenciālās enerģijas. Kā bumba, kas tūlīt nokritīs.
Shēmas informācijas dzinējs. (a) Trokšņa detektors mēra bumbiņas atrašanās vietu, kas faktiski atrodas
punkts x. Mehānisms, kura pamatā ir (b) trokšņainas pozīcijas mērījums y vai (c) Bajesa pozīcijas aprēķins X̂ (zils punktēts aplis). Pateicība: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevLett.129.130601
Zinātniekiem objekts pat nebija “jāceļ”;tas notika dabiski, ūdens molekulu vibrāciju dēļ. Tādējādi dzinējs pārveidoja ūdens siltumu uzkrātajā gravitācijas potenciālajā enerģijā, izmantojot atgriezenisko saiti par bumbiņas kustību, lai pielāgotu lāzera slazdu. “Lēmums par to, vai un cik daudz pacelt slazdu, ir atkarīgs no mūsu apkopotās informācijas par lodītes stāvokli. Tā darbojas kā “degviela” dzinējam,” skaidro zinātnieki.
Kādas ir grūtības?
Sistēma darbojas šādi, bet lai to pareizi ieviestuŠī stratēģija ir sarežģīta, ja sistēmā ir pārāk daudz mērījumu trokšņu. To rada lāzera stara spilgtums, ko izmanto bumbiņas noteikšanai. Šādos gadījumos tās stāvokļa nenoteiktība katram mērījumam var būt lielāka nekā objekta kustība, ko izraisa svārstīgo ūdens molekulas. Rezultātā mērījumu troksnis rada kļūdainu atgriezenisko saiti un tādējādi samazina produktivitāti.
Tipiski informācijas mehānismiatgriezeniskās saites algoritmi, kas pamato lēmumus uz pēdējo bumbas stāvokļa mērījumu. Bet tie var būt nepareizi, ja mērījumu kļūdas ir pārāk lielas. Zinātnieki vienkārši vēlējās noskaidrot, vai ir veids, kā šo problēmu apiet.
Vai ir kāds risinājums?
Viņi izstrādāja atgriezeniskās saites algoritmuir balstīts ne tikai uz tiešu bumbiņas pēdējās pozīcijas mērījumu (kas var būt neprecīzs), bet arī uz visiem iepriekšējiem mērījumiem. Tāpēc šis filtrēšanas algoritms ņem vērā mērījumu kļūdas, veicot Beijesa aprēķinu.
Matemātiskajā statistikā un pieņemšanas teorijāBeijesa lēmumu novērtētājs ir statistisks novērtētājs, kas samazina zaudējumu funkcijas posterior cerības. Vienkārši sakot, tas palielina lietderības funkcijas posterior matemātiskās cerības.Atcerēsimies, ka posterior varbūtība ir nejauša notikuma nosacītā varbūtība, ja ir zināmi posteriori dati, tas ir, iegūti pēc zināmas pieredzes.
Tādējādi, apvienojot trokšņainu komplektuveicot mērījumus, izmantojot lodītes dinamikas modeli, ir iespējams iegūt precīzāku tās patiesās pozīcijas novērtējumu. Tas ievērojami samazinās veiktspējas zudumus.
"Bayesian" kompromiss
Kā daļa no pētījuma zinātnieki skaidriparādīja, ka informācijas dzinējs, kas izmanto atgriezenisko saiti, pamatojoties uz šiem Beijesa aprēķiniem, darbojas ievērojami labāk nekā parastie informācijas dzinēji, ja mērījumu kļūdas ir pārāk lielas. Vairums tipisko informācijas dzinēju šajā gadījumā vienkārši apstāsies.
Tas pārsteidza zinātniekus.Kad mērījumu kļūdas pārsniedz kritisko slieksni, naivā mašīna vairs nedarbojas kā tīri informatīva iekārta. "Viņas labākā stratēģija ir vienkārši padoties un neko nedarīt," raksta pētnieki. Bet Bajesa modelis veic darbu neatkarīgi no mērījumu kļūdas lieluma, kaut arī neliela.
Informācijas dzinēju veiktspēja.(a) Naivs (sarkans) un Bajesa (zils) datu dzinēja jaudas izvade. Dobi sarkani marķieri apzīmē izejas jaudu, ja α ir 0. (b) Izejas darba ieguves ātruma atšķirība Bajesa un naivajiem dzinējiem, kas mērogoti pēc maksimālā ātruma.
Kredīts un autortiesības: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.130601
Protams, Bajesa spējāmInformācijas dzinējam ir “jāmaksā”, lai iegūtu enerģiju pat ar lielām mērījumu kļūdām. Tā kā šāds mehānisms izmanto informāciju no visiem iepriekšējiem mērījumiem, informācijas apstrādei ir nepieciešams vairāk vietas un laika.
Un tas ir loģiski.Mērījumu kļūdu samazināšana palielina ne tikai no svārstībām iegūto darbu, bet arī informācijas apstrādes izmaksas. Rezultātā zinātnieki ir atraduši ideālo līdzsvaru — maksimālo efektivitāti mērīšanas kļūdas vidējā līmenī, kad var sasniegt labu enerģijas ieguves līmeni. Tajā pašā laikā datu apstrādei nav jāmaksā.
Tagad zinātnieki pēta, kā dzinēja darbību ietekmēs troksnis, ko rada citi faktori, nevis karstums.
Lasīt vairāk:
Kāpēc Mēness, nevis Marss: galvenais par Artemis-1 misiju un kāpēc tā ir vajadzīga
Sens amulets pārrakstīja Eiropas noslēpumainākās valodas vēsturi
Galvenā cilvēka izcelsmes teorija tika atspēkota: no kurienes mēs nākām