Работа стоит на отшибе: рядом с ней почти никого нет, но ближайшие соседи из архива исследуют память и информацию в неравновесных системах. Одни изучают, как тренировать память и как сон укрепляет её, другие разбирают демона Максвелла и его квантовые вариации, третьи выуживают законы природы из шума. Все они так или иначе касаются связи информации и термодинамики, но никто из них не выходил за рамки марковского приближения, где среда мгновенно забывает о прошлом. Наша работа впервые экспериментально показывает, что память среды, скрытая в её внутренних степенях свободы, не просто существует, а может быть измерена и превращена в работу.
В качестве системы с памятью взяли коллоидную частицу диаметром 2,7 микрона в вязкоупругом растворе мицелл. Частицу удерживали оптическим пинцетом в гармонической ловушке и с частотой 100 Гц записывали её положение с точностью до 5 нанометров. Чтобы добраться до скрытых степеней свободы, использовали протокол двойного измерения: в момент t_i положение частицы сравнивали с порогом, а через время δt проводили второе такое же измерение. Так получали четыре возможных состояния (|00⟩, |01⟩, |10⟩, |11⟩), каждое из которых по-разному коррелирует с тепловыми возбуждениями мицеллярной сети. Параллельно строили контрольные ансамбли без учёта истории, чтобы отделить вклад памяти от эффекта начальных условий. Затем измеряли релаксацию потенциальной энергии частицы и информацию Кульбака–Лейблера для каждого состояния, а также проводили протоколы извлечения работы путём сдвига ловушки с постоянной скоростью.
Главный результат: двойное измерение позволяет увидеть обратный поток информации из скрытых степеней свободы. Для состояния |10⟩ при задержке δt около 1 секунды энергия частицы сначала растёт, а потом спадает к равновесию — это прямой признак передачи энергии от мицеллярной сети к частице. Количественно этот эффект описывается параметром порядка Φ(δt), который достигает максимума при δt ≈ 1 с. Более того, извлечённая работа в двухъямном потенциале превышает энергию, запасённую в наблюдаемой координате: нормированная работа W/¯V_m(0) становится больше единицы. В одноямной ловушке такого превышения нет, потому что частица слишком быстро релаксирует, не успевая забрать энергию из медленных мод среды. В двухъямном случае барьер замедляет релаксацию частицы, и скрытые степени свободы успевают отдать свою энергию.
Работа отличается от соседей тем, что впервые экспериментально демонстрирует извлечение работы именно из памяти среды, а не из информации о самой системе. Соседние работы либо остаются в марковском режиме, либо обсуждают не-марковость теоретически, либо используют память для других целей (например, для ускорения релаксации). Здесь же память выступает как самостоятельный термодинамический ресурс, который можно измерить и конвертировать в работу. Это расширяет границы информационной термодинамики на системы с временными корреляциями и даёт экспериментальный инструмент для их исследования.
Тема может развиваться в сторону адаптивных протоколов управления, которые учитывают состояние скрытых степеней свободы и подстраивают обратную связь под текущую память среды. Также двойные измерения могут служить операциональным критерием стирания памяти: когда все информационные моды расслабились, динамика становится марковской, и дальнейшие измерения не дают выигрыша. В квантовой области аналогичный подход может помочь характеризовать и использовать немарковские резервуары для квантовых информационных двигателей.
Результаты повлияют на проектирование информационных двигателей в сложных средах, таких как биополимерные растворы, активные материи и микрофлюидные системы, где память среды неизбежна. Также они дадут новый инструмент для экспериментальной проверки неравновесной термодинамики открытых систем с памятью.
Следующим шагом будет оптимизация протокола извлечения работы с учётом времени релаксации среды и поиск оптимальной задержки между измерениями для максимизации выхода. Также стоит исследовать, как масштабируется эффект для разных вязкоупругих жидкостей и для систем с несколькими временами релаксации.
Работа напрямую связана с нерешённой проблемой термодинамики немарковских систем: как корректно определить энтропийное производство и свободную энергию, когда часть степеней свободы скрыта. Наш эксперимент показывает, что скрытые степени свободы не просто мешают, а могут быть источником полезной работы, что требует пересмотра стандартных границ второго начала для систем с памятью.
Мицеллярная сеть, в которой плавала частица, имеет время релаксации около 6 секунд — это как если бы вода в стакане помнила движение ложки несколько секунд после того, как ложку убрали.
Идея извлекать работу из скрытой памяти перекликается с сюжетом рассказа Станислава Лема «Путешествие четырнадцатое», где герой пытается использовать информацию о прошлом для получения энергии, хотя в рассказе это приводит к парадоксам, а не к практической выгоде.