实验实现热力学最优输运：在有限时间内达成最小耗散的信息擦除新范式

《Nature Communications》：Experimentally achieving minimal dissipation via thermodynamically optimal transport

　　本刊推荐：为解决有限时间热力学过程中不可避免的能量耗散问题，研究人员开展了基于最优输运理论的实验研究。他们利用自主研发的扫描光镊系统，首次在实验上实现了使布朗微粒概率分布沿Wasserstein几何空间测地线演化的最优输运协议，达成了信息擦除过程中耗散功的理论最小值。该工作将Landauer原理推广至有限时间情形，为高能效信息处理提供了新范式。

　　

在传统热力学中，第二定律告诉我们，任何过程的能量耗散总是大于零，只有在无限缓慢的准静态极限下，耗散才能趋近于零。然而，现实世界的信息处理、生物过程和各种工程技术都必须在有限时间内完成，这就导致了不可避免的能量损耗。如何在这些有限时间过程中最大限度地减少能量消耗，一直是科学家们努力攻克的重要科学问题。

18世纪，法国数学家加斯帕尔·蒙日提出了一个看似简单却极为深刻的问题：如何以最小的成本将一堆沙子从一个地方运到另一个地方？这个工程学问题催生了最优输运理论的发展。近年来，该理论不仅应用于生成式人工智能和细胞生物学等领域，更在物理学中展现出独特价值——它为有限时间热力学过程设定了基本的耗散界限，超越了传统第二定律的描述能力。

特别值得关注的是信息处理的能量成本问题。Landauer原理指出，擦除1比特信息至少需要k_BTln2的功，其中k_B是玻尔兹曼常数，T是温度。这一最小值对应于准静态极限，而实际的信息处理系统必须在有限时间内运行，因此必然会产生额外的能量耗散。理解并最小化这种有限时间耗散，对于设计高能效的计算设备至关重要。

正是在这一背景下，日本东北大学及东京大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了他们的突破性成果。研究人员通过实验实现了热力学最优输运，在有限时间内达到了最小耗散。他们开发了能够生成任意势能轮廓的扫描光镊系统，精确控制布朗微粒在热环境中的概率分布演化。

关键技术方法包括：自主研发的扫描光镊系统，通过电光偏转器以16kHz频率扫描激光焦点生成任意势能轮廓；基于漂移速度的势能轮廓重构方法，从非平衡轨迹中恢复势能分布；Wasserstein距离计算，通过Python最优传输库量化概率分布间差异；功率谱分析测量粒子摩擦系数，考虑混叠效应进行校正。实验使用500纳米二氧化硅微粒，在24°C水中进行，通过高速相机以4kHz采集轨迹数据，每个协议重复超过3000次以确保统计可靠性。

最优平移-压缩输运在有限时间内的实现

研究人员首先实施了一个简单的平移和压缩高斯分布的实验。通过设计最优协议，使概率分布的均值μ和标准差d随时间线性变化，实现了在(μ,d)空间中的均匀速度测地线运动。与单纯线性改变势能位置和刚度的“朴素协议”相比，最优协议显著降低了耗散功，达到了理论预测的最小值。实验还验证了仅从分布动态而不依赖势能信息即可评估耗散功的方法，为复杂系统研究提供了新工具。

有限时间内的最优信息擦除

研究团队将最优输运理论应用于信息擦除这一核心问题。他们设计了一个对称双峰分布代表比特的0和1状态，通过动态调控势能轮廓，将分布从初始双峰形态转变为最终单峰形态。最优协议实现了分布的三分位数和均值的线性变化，这是最优输运的典型特征。即使是在有限时间内，也实现了0.984±0.005的擦除精度，对应0.88±0.03比特的信息擦除量。

能量-速度-精度权衡

通过控制最终分布的双峰高度比α(0.5≤α≤1)，研究人员系统研究了信息擦除的准确性对能量成本的影响。结果表明，更快速、更准确的过程需要更多的功，证实了能量成本、速度和精度之间的基本权衡关系。实验数据达到了最优输运理论预测的界限，表明τw_d在准静态极限下也不会为零，这超越了普通第二定律的简单正性断言。

该研究通过实验验证了最优输运理论在有限时间热力学中的关键应用，首次实现了达到理论界限的热力学最优信息处理。与传统的优化控制方法不同，最优输运专注于分布本身的演化优化，在具有完全势能控制能力的情况下提供了更基本的优化方案。这一成果为未来高能效计算设备的设计提供了重要指导原则，特别是在远离准静态极限的现代CMOS技术中实现热力学基本界限方面具有深远意义。

研究还展示了最优输运理论在生物现象中的应用潜力。尽管复杂系统涉及大量自由度，但通过主要自由度的降维建模，仍可能应用最优输运方法分析分子马达动力学或细胞迁移等生物过程。这一实验平台为研究有限时间热力学过程中的基本界限提供了强大工具，将推动随机热力学与信息几何学领域的进一步发展。