Earlier studies revealed that Maxwell's demon must obey the second law of thermodynamics. However, the presence of a physical principle explaining whether using information is profitable and inevitable remains uncertain. This paper reports a novel generalization of the second law of thermodynamics, answering whether such a physical principle exists in the affirmative. The entropy production can be split into two contributions: the entropy production of the individual subsystems and the reduction in the correlations between subsystems. This novel generalization of the second law implies that if an agent exploits the latter factor, then information is indispensable and provides free energy or mechanical work outweighing the operational cost. In particular, the total entropy production has a lower bound corresponding to the positive quantity that emerges when the internal correlations of the controlled target diminish, but the correlations between the agent and target do not exist. Therefore, the information about the target is indispensable for exploiting the internal correlations to extract free energy or work. Furthermore, as the internal correlations can grow linearly with the number of the subsystems constituting the target system, control with such correlations, i.e., feedback control, can yield substantial gain that exceeds the operational cost of performing feedback control, which is negligible in the thermodynamic limit. Thus, the generalized second law presented in this paper can be interpreted as a physical principle that ensures the benefit and inevitability of information processing.


翻译:先前的研究显示, Maxwell的恶魔必须服从热力学的第二定律。 然而, 是否存在一种物理原理来解释使用信息是否有利和不可避免, 这一点仍然不确定。 本文报告热力学第二定律的新概括性, 回答这种物理原理是否在肯定性中存在。 酶生产可以分为两种贡献: 单个子系统的环球生产以及子系统之间关联的减少。 第二项法律的这种新颖概括性意味着, 如果一个代理商利用后一系数, 那么信息是不可或缺的, 并且提供免费的能源或机械工作, 超过操作成本。 特别是, 总的恒温力生产具有较低的约束性, 与当受控目标的内部关联减少时出现的正数相对应, 但却不存在这种物理原理。 因此, 有关目标的信息对于利用内部关联来提取自由能源或工作之间关联是不可或缺的。 此外, 内部关联性可以随着构成目标系统的子系统的数量而成线性增长, 控制, 以及这种关联性, 也就是说, 反馈控制总和可忽略性原则, 能够产生可忽略性地解释的物理动力学原则,, 。

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