Deux mesures au labo transforment l'information cachée en travail

Imaginez une particule maintenue par un faisceau laser finement focalisé, qui s'agite dans un liquide qui n'est pas de l'eau mais un réseau dense, semblable à des spaghettis, de structures microscopiques qui se réarrangent autour d'elle. C'est le dispositif qu'ont monté les physiciens de l'université de Constance et de l'Institut Max-Planck de dynamique et d'auto-organisation de Göttingen pour tester une vieille idée d'une manière nouvelle.

Le démon de Maxwell est un portier microscopique imaginaire, introduit il y a plus de 150 ans, qui utilise des informations sur les molécules pour les trier : il ouvre une petite porte aux molécules rapides dans un sens et aux lentes dans l'autre, si bien qu'un compartiment se réchauffe pendant que l'autre se refroidit. Le paradoxe apparent a été résolu en reconnaissant que l'information est une ressource physique pouvant être convertie en travail. Cette idée a nourri l'intérêt pour les moteurs à information, des machines microscopiques alimentées par l'information plutôt que par des différences de température.

Le hic, c'est qu'aucun démon ne dispose d'une information complète. Même pour une seule particule, la position et la vitesse ne peuvent pas être mesurées avec une précision parfaite. Et dans les fluides où les machines microscopiques sont censées fonctionner, comme les solutions de polymères ou les fluides biologiques, la microstructure interne façonne le mouvement de la particule tout en restant hors de portée. Lorsque la particule se déplace, elle déforme le réseau, et ce dernier la repousse. La particule peut être suivie avec précision, mais la dynamique interne du réseau ne peut être observée directement : une partie de l'information nécessaire au contrôle optimal reste donc cachée, et le travail extractible diminue.

Les chercheurs récupèrent une partie de cette information cachée grâce à une double mesure : ils enregistrent la position de la particule deux fois, à un intervalle de temps contrôlé. La comparaison des deux instantanés donne une information indirecte sur l'état du milieu environnant, étendant la connaissance du démon au-delà d'un seul instant. En ajustant le délai, l'équipe montre que l'énergie stockée dans ces dynamiques cachées peut être récupérée et transformée en travail utile. Dans certaines conditions, la double mesure permet d'extraire plus de travail qu'une mesure unique. Les informations disponibles ne donnent aucun chiffre pour ce gain.

Pour l'instant, ce travail constitue une étape vers des moteurs à information microscopiques cycliques, qui pourraient fonctionner sans différence de température ni aucun autre gradient d'énergie à grande échelle. Cela compte surtout à très petite échelle, où il est de plus en plus difficile de maintenir des gradients thermiques stables. Les bénéficiaires seraient les machines microscopiques censées fonctionner dans des fluides complexes, à condition que le principe passe d'une particule piégée dans un liquide de laboratoire à un dispositif opérationnel. Les informations disponibles ne donnent aucun calendrier pour cela, et l'expérience elle-même est une démonstration, pas une machine.