作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 信用:Manzano等人
意大利国际理论物理中心(ICTP)和芬兰阿尔托大学的皮科小组的研究人员引入了信息恶魔的概念，它遵循一种习惯性的赌博策略，在随机时间停止非平衡过程
他们认识到的新恶魔，不同于著名的麦克斯韦恶魔，发表在《物理评论快报》的一篇论文中
“我们的研究是由好奇心驱动的，”进行这项研究的研究人员之一贡萨洛·曼扎诺告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“我们问自己，波动满足(或破坏)热力学和信息之间联系上的随机过程的一些强特性的过程的含义是什么
" 贡萨洛·曼扎诺、埃德加·罗尔丹和他们的同事最近的研究是基于以前在随机水平上研究信息和热力学之间联系的工作
它还从最近的研究中得到启发，这些研究探索了热力学中一个称为鞅的独特随机过程族的性质
鞅是随机过程的典型例子，在金融和数学等许多领域都有应用
曼扎诺、罗尔丹和他们的同事将鞅的知识应用于热力学研究，目的是揭示新的普遍热力学定律
“我们的论文关注以下问题:当一个人拿获得的关于小系统在非平衡热力学过程中的反应的信息赌博时，会发生什么？”参与这项研究的另一位研究员埃德加·罗尔丹告诉《物理》
（同organic）有机
“这可以被公式化为‘停止’状态，在这种状态下，游戏者退出(例如
g
当其收入超过或低于给定数额时，停止玩轮盘游戏)
" 曼扎诺、罗尔丹和他们的同事进行的这项研究的主要目的是调查在使用赌博启发的协议时热力学定律的应用程度
为了实现这一点，他们进一步发展了热力学的鞅理论，这是他们几年前引入的一个理论构造
在他们的新研究中，研究人员引入了“赌博恶魔”的概念
“赌博恶魔本质上是所谓的麦克斯韦恶魔的新版本，这是物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1867年提出的一个想法和思想实验
在这个思想实验中，麦克斯韦表明，通过使用关于系统微观动力学的信息，有可能颠覆热力学第二定律，即热量总是从热到冷，直到它在系统中均匀分布
几十年来，这种明显的悖论一直是研究的活跃领域，并通过考虑恶魔产生的信息的物理性质得到了解决，根据朗道原理(1961年首次提出)，这需要消除工作
“在麦克斯韦的原始版本中，一个小智能生物(我
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曼扎诺说:“通过在微观层面上观察和操纵热力学系统，恶魔)能够挑战热力学第二定律
“即使这个悖论只是表面现象，麦克斯韦的恶魔今天仍然引起人们极大的兴趣，因为它允许以产生信息形式的熵为代价来提取工作
在新版本中，我们通过剥夺恶魔的一些力量，将它推向极限
" 在他们的论文中，曼扎诺、罗尔丹和他们的同事考虑了他们理论化的赌博恶魔仍然可以观察系统的微观动力学，但不能随意操纵它的可能性
恶魔只能在它认为正确的任何时候决定停止热力学过程，而不是操纵系统
曼扎诺说:“人们可能会认为，这种不那么强大的恶魔无法像麦克斯韦最初的设置那样，无视第二定律，因为人们可能天真地认为，恶魔无法很好地利用关于系统微观动力学的信息。”
“然而，我们已经看到情况并非如此，但是恶魔需要(1)一个好的策略来有意义地决定何时停止，(2)考虑中的系统的动态需要是非平稳的(或者更确切地说，它需要打破时间反转对称性)，因此，需要一些工作投资
" 曼扎诺、罗尔丹和他们的同事利用研究随机和量子热力学的技术探索了赌博恶魔的想法
更具体地说，他们导出了一个普遍波动定理，该定理联系了应用停止策略时相关热力学量的行为
这使得他们能够探索这些停止策略的极限
随后，研究人员在一系列实验中验证了他们的预测
“我们在佩科拉实验室的合作者的实验配置由一个保持在非常低的温度(0
67开尔文)，两个铝线的电子可以在这里跳跃
“此外，一个随时间变化的电压被施加到金属岛上，对系统进行工作，并确保系统不是静止的
" 在特别低的温度下，进入金属岛的单个电子可以单独计数
通过逐一计算电子，研究人员能够收集关于一个系统的有价值的信息
利用这些信息，他们能够计算出相关的热力学量，并测试停止策略
曼扎诺说:“虽然我们没有在飞行中停止系统动力学，但获得的数据让我们能够分析不同赌博策略的效果，证实我们的理论预测。”
“我们还发现，在这种情况下，如果投入了太多的工作，那么‘赢’的策略就是停止这种动力
应用它，我们发现工作可以从信息中提取，克服了传统的第二定律的限制
" 研究人员将他们引入的恶魔和赌场游戏进行了类比
根据罗尔丹的说法，“一个人可以想象一个赌徒在玩轮盘赌，并根据他/她获胜的好机会期待利润
如果这个人每天都玩到赌场关门，他/她应该会赔钱
然而，游戏者也可以设计一种策略，允许他/她赚取净利润，例如，只玩直到他/她的收入超过预定的阈值
“然而，只有当轮盘赌中的数字的概率在一天中发生变化时，这样的策略才可能起作用
罗尔丹说:“考虑一个沉浸在热浴中的小系统，它按照确定性非平衡协议被驱动一段固定的总时间。”
“如果协议总是被允许完成，在系统上完成的功在过程的许多实现上平均大于或等于它的自由能变化，如热力学第二定律所述
然而，当进程按照给定的标准(例如
g
，一种赌博策略)？" 这个想法可以和信息恶魔的概念联系起来
例如，在热力学的背景下，麦克斯韦妖导致了对第二定律的明显违反，在随机时间打开和关闭一个分隔两个容器的门
“麦克斯韦妖利用两个性质似乎违反了第二定律的极限，”罗尔丹解释道
“首先，它在特定事件发生的随机时间起作用，热/冷粒子接近星门
其次，它应用反馈控制，打开它改变过程的动态的大门
" 曼扎诺、罗尔丹和他们的同事提出的赌博恶魔本质上是一种装置，只使用麦克斯韦最初的恶魔建议的第一个组成部分就可以明显违反热力学第二定律
第一个组成部分是在随机时间执行任务
尽管如此，这个悖论的解决还是遵循了最初版本的思路
罗尔丹说:“这里的关键思想是使用一套非常特殊的策略，这些策略在赌博中受到启发，导致按照规定的标准停止动态变化。”
“因为恶魔作用的系统很小，并且受到波动的影响，所以在每个周期中，恶魔停止动力的时间是不同的
正如我们在工作中所展示的，这对于工作提取是至关重要的
" 在他们的论文中，曼扎诺、罗尔丹和他们的同事展示了他们认识到的赌博恶魔可以用来从热力学系统中提取超出其自由能变化的功
利用鞅理论，他们计算了这些恶魔能完成的平均工作量，并在一个实验中测试了他们的预测
在这个实验中，研究人员分析了使用单电子晶体管收集的时间序列数据
然后，他们基于对晶体管所做工作的测量，应用赌博策略
换句话说，当工作超过特定的阈值时，恶魔停止了系统的动态；否则，它会在更长(固定)的时间内继续进化
“我们的工作意味着信息到工作的转换可以在无法精确控制动态的系统中实现，”曼扎诺说
“这极大地扩展了麦克斯韦最初设想的范围，澄清了连接信息和热力学所需的最小成分
" 论文中描述的赌博恶魔的思想和普遍非平衡关系可以应用于许多研究领域
在他们应用它的特定环境中，恶魔可以按照一个策略停止系统的动态
然而，他们所描述的关系也可以应用到系统中，在这些系统中，当满足特定条件时，动力学自然停止，例如生物系统
“我们研究的关键观点是，与迄今为止的信念相反，没有必要应用反馈来提取自由能变化之外的工作，”罗尔丹说
“这可以通过运用适当的赌博策略来实现，我们展示了人们可以从中获得多少收益
值得注意的是，我们的发现表明，一个人可以通过赌博获得的工作量是由物理过程的时间不对称性的度量来限制的，因此高度不可逆(远离平衡)的动力学可以导致大量的工作量，就像股票市场的套利机会一样
" 在未来，曼扎诺、罗尔丹和他们的同事提出的基于赌博的新方法可以用来提高微型热机和发动机的效率
在接下来的研究中，研究人员计划从量子物理学的角度分析他们收集的结果
他们的工作可以为基于赌博的研究和技术开发策略的发展铺平道路，这些策略的表现要优于更传统的方法
“我们相信我们的研究是开发纳米尺度高效能量收集协议新可能性的第一步，这可能会利用我们关于如何利用巧妙的信息处理策略从波动中获利的基础知识，”罗尔丹说
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