《信息引擎：纳米控制、计算和通信失衡》美陆军56页报告

由加州大学戴维斯分校詹姆斯-克鲁奇菲尔德（James Crutchfield）教授领导的多学科大学研究计划（MURI）从2013年9月1日至2019年8月31日开展了题为 “信息引擎--失去平衡的纳米级控制、计算和通信 ”的工作。这项工作的目标是为理解、设计和实施微米级和纳米级信息处理引擎开发一个统一的框架，并为未来具有突破性功能的纳米级设备奠定科学基础。这些雄心勃勃的目标都已实现，在某些情况下甚至超过了目标，项目的显著成效就是明证。这些成功开辟了许多令人兴奋的未来理论和实验研究途径。主要工作成功地开发出了控制纳米级热力学过程的方法，最重要的可能是成功地进行了详细的实验测试并验证了团队的理论成果。尽管如此，本 MURI 之后，仍有许多工作要做，核心 PI 团队将继续合作并在信息引擎 MURI 之外取得进展。

任何特定的自然过程都可以用两种互补且同样有效的方式来看待：第一，将其视为一个由能量控制、操纵、存储和耗散的 “物理 ”系统；第二，将其视为一个生成、存储、转换和销毁信息的 “动态 ”系统。当我们把它及其物理实现视为一个单元系统时，我们会发现信息处理需要能量来推动。一个直接的结果是，这些能量并没有完全转化为经过处理的信息。能量被耗散了。这种限制在纳米尺度上尤为突出，因为在纳米尺度上，超出平衡的波动是规则，有组织能量和热能、热量和功之间的区别变得模糊不清。因此，MURI 的主要目标是找到纳米级信息处理和控制的物理极限。

MURI 团队由加州大学戴维斯分校的 James Crutchfield 教授领导，其他成员如下： 加州大学伯克利分校的 Michael DeWeese 教授、哥伦比亚大学的 Henry Hess 教授、马里兰大学学院帕克分校的 Christopher Jarzynski 教授、马里兰大学学院帕克分校的 PS Krishnaprasad 教授和加州理工学院的 Michael Roukes 教授。项目总经费为 688 万美元。项目详情见附录 A，最终报告见附录 B。

信息引擎 MURI 在控制纳米级热力学系统和确定纳米级信息处理的热力学限制方面取得了重大进展。与此同时，还对 MURI 的通量比特信息引擎装置进行了广泛的实验。实验结果成功验证了我们理论预测的关键方面。与最初的分子马达或纳米机电系统相比，通量-量比特装置明显更适合项目的目标。

该 MURI 分为三个主要方向： 1) 纳米级热力学系统的控制；2) 信息与热力学原理；3) 纳米级信息引擎实验。下文概述了每个研究方向的成果。

纳米级热力学系统的控制： 将几何最优控制理论和非平衡统计物理学的方法结合起来，并将其应用于设计热机工作循环的具体问题中，一直是 MURI 项目这一部分的主要目标。加州大学戴维斯分校（UCD）和马里兰大学（UMD）的团队重点研究了之前开发的控制纳米级热力学系统的三种方法之一：用于信息处理任务的逆绝热控制协议。反绝热协议解决了计算中非常实际的权衡问题，为需要无限时间的绝热控制协议提供了有限时间的 “捷径”。

信息热力学原理： UCD 确定了热力学控制器模块化组织的成本--模块化耗散--这是首次将热力学成本与系统的结构和组织联系起来。这推进了该团队的理论成果，为具有正热力学净效益的纳米级设备提供了设计方法，更重要的是，它为在其他项目下继续进行的大量实验测试奠定了基础。

纳米级信息引擎实验： 由于获得了关键的理论见解，通量四比特成为主要的实验重点。在这一过程中，加州大学洛杉矶分校发现了新的方法--轨迹类波动定理--利用重复协议中消耗的功的分布这一介观 “观测指标 ”来诊断支持信息处理的微观行为的成功和失败模式。

信息引擎 MURI 的生产率一直保持在较高水平，这表明随着各小组克服了以往的理论和实验挑战，其智力已趋于成熟。研究成果得到了广泛传播。其中包括在同行评审的知名期刊上发表的 100 多篇手稿。