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Ignacio CrespoFrancis VillatoroBorja TosarHéctor SocasGastón GiribetJosé Edelsteinasociación información sistemas complejosmemoria en sistemas biológicos villatoroquímica y biología investigación activasistemas marcovianos sin memoriaestado actual determina estado futurobaños de calor con memoriafrancis villatoro y sistemas markovianosFrancis Villatorosistemas MarkovianosNatureNature PhysicsArchiveMurugaFélix GuinoClemens BeckingerUniversidad de Constanzasistema Markovianomemoria RAMShannonBennettdemonios de Maxwell
Sistemas marcovianos sin memoria
Ep576: Entropía; Neandertales; Tesla; Exoplaneta; Agujeros Negros; Eirenesfera
22 de octubre de 20268 momentos
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Francis Villatoro explica cómo la mayoría del trabajo matemático reciente en el campo se ha centrado en sistemas Markovianos, caracterizados por la ausencia de memoria.
…termodinámicas, las de Barato y Cypher. Este campo es un campo enorme en el que está trabajando mucha gente y que está dando un lenguaje que ahora en esta década se está empezando a extender a otras ramas, a la química, a la biología y puede tener futuro. Entonces, uno de los temas que se ha trabajado muchísimo aquí ha sido el tema de la información y cómo asociamos la información. Bueno, la manera más sencilla de asociar información a este tipo de sistemas es tener en cuenta la memoria: si hay memoria o no hay memoria, es decir, un sistema, aquí casi todo lo que se ha hecho a nivel matemático en los últimos 25 años ha sido con sistemas marcovianos sistemas en los cuales el presente, el estado actual, determina el estado futuro yo puedo saber de manera unívoca que va a pasar en el futuro a partir del estado que yo tengo en el presente eso significa que no hay memoria, sistema marcoviano Es un sistema en el que no hay memoria, pero lo que ocurre es que muchos baños de calor, es decir, muchos sistemas macroscópicos tienen memoria Todos conocemos los materiales Que tienen memoria, memoria de forma, por ejemplo, o los materiales viscoelásticos. Un material viscoelástico es un material en el que yo presiono y deformo el material y el material recupera su forma, pero lo recupera lentamente. ¿Vale? Hay un tiempo de…
Significado #1 · Palabras #1
Francis Villatoro explica cómo borrar un bit de información en la memoria RAM implica la disipación de calor y cómo esta necesidad ha llevado a que los ordenadores modernos tengan disipadores más grandes.
Habla: Francis VillatoroSignificado #17borrado bit memoria ramdisipación calor ordenador modernobits información disipan calor…algo extraordinariamente fascinante y es que borrar información tiene un coste termodinámico: hay que disipar una cantidad de calor mínima. Es decir, un ordenador, solo un ordenador clásico que maneje información y que pueda cambiar la información y por tanto Borrarla, yo tengo un bit en una memoria RAM puesto a uno y en cierto momento lo puedo poner a cero. Y yo sé: es borrado lo que había, porque ya nadie puede recordar lo que había, ha sido borrado. Eso implica que ese ordenador tiene que disipar calor y cuanto más información contenga, es decir, más bits de información contenga, más tiene que disipar. Por eso los ordenadores actuales tienen disipadores de calor mucho más gordos que los que tenían en el pasado. Claro, esto es una unidad mínima de calor que se Disipa por un bit, que es la constante K de Boltzmann multiplicada por temperatura multiplicada por el logaritmo de 2. Pero esto ya nos llevó a un momento en el que estaba empezándose a introducir de manera rigurosa en el sentido de Shannon el concepto de…
Francis Villatoro explica la dificultad de definir matemáticamente el calor disipado por un bit de información y cómo este concepto se desarrolló en áreas como la computación cuántica primitiva.
Habla: Francis VillatoroSignificado #18calor disipado por bit informacióncomputación cuántica primitiva sistemas reversiblestrabajos de bennett demonio maxwellinformación chano definición matemática…constante K de Boltzmann multiplicada por temperatura multiplicada por el logaritmo de 2. Pero esto ya nos llevó a un momento en el que estaba empezándose a introducir de manera rigurosa en el sentido de Shannon el concepto de información en la termodinámica. Y claro, ¿qué es el calor? ¿Qué es ese calor que disipa un bit? Un bit de información disipa calor, ¿qué es ese calor? ¿Cómo lo defino matemáticamente de manera rigurosa? Pues eso no es nada trivial, ¿vale? Y eso empezó a definirse; hubo muchísimos trabajos, sobre todo en la computación cuántica primitiva, en los sistemas reversibles de finales de los 70, la computación cuántica de principios de los 80, por ejemplo, los trabajos de Bennett, que logró, Bennett logró definir de manera matemática el concepto de demonio de Maxwell, utilizando información, la información de Chano y tenemos una definición ya matemática, rigurosa, bajo la hipótesis de que el que lo lee entiende qué es la información en el sentido de Shannon en un sistema microscópico acoplado a uno macroscópico; que ya te digo, eso a veces no es nada trivial. Esto por ejemplo se ha aplicado a biología; en biología tenemos aquí a Ignacio. Por ejemplo, el tema del ATP: el ATP le da energía a una proteína para que haga algo, para que funcione, una proteína móvil, por ejemplo, que va por un nanotubo de carbono y va…
Francis Villatoro explica cómo la mayoría del trabajo matemático reciente en el campo se ha centrado en sistemas Markovianos, caracterizados por la ausencia de memoria.
Habla: Francis VillatoroSignificado #1 · Palabras #1asociación información sistemas complejosmemoria en sistemas biológicos villatoroquímica y biología investigación activasistemas marcovianos sin memoriaestado actual determina estado futurobaños de calor con memoriafrancis villatoro y sistemas markovianos…termodinámicas, las de Barato y Cypher. Este campo es un campo enorme en el que está trabajando mucha gente y que está dando un lenguaje que ahora en esta década se está empezando a extender a otras ramas, a la química, a la biología y puede tener futuro. Entonces, uno de los temas que se ha trabajado muchísimo aquí ha sido el tema de la información y cómo asociamos la información. Bueno, la manera más sencilla de asociar información a este tipo de sistemas es tener en cuenta la memoria: si hay memoria o no hay memoria, es decir, un sistema, aquí casi todo lo que se ha hecho a nivel matemático en los últimos 25 años ha sido con sistemas marcovianos sistemas en los cuales el presente, el estado actual, determina el estado futuro yo puedo saber de manera unívoca que va a pasar en el futuro a partir del estado que yo tengo en el presente eso significa que no hay memoria, sistema marcoviano Es un sistema en el que no hay memoria, pero lo que ocurre es que muchos baños de calor, es decir, muchos sistemas macroscópicos tienen memoria Todos conocemos los materiales Que tienen memoria, memoria de forma, por ejemplo, o los materiales viscoelásticos. Un material viscoelástico es un material en el que yo presiono y deformo el material y el material recupera su forma, pero lo recupera lentamente. ¿Vale? Hay un tiempo de…
Francis Villatoro explica cómo la interacción entre una micropartícula y un baño de calor se ve afectada por el efecto memoria del baño, lo que provoca un retraso en la reacción sobre el sistema microscópico.
Habla: Francis VillatoroSignificado #3 · Palabras #2efecto memoria baño de calorreacción sistema microscópico retrasadamaterial deformado tiempo originalsistemas no marcovianos termodinámica estocásticaartículo muruga nature physicssistema no marcoviano constanza alemaniapartícula con memoria sarah lawsmemoria de partícula instituto masplan…materiales viscoelásticos. Un material viscoelástico es un material en el que yo presiono y deformo el material y el material recupera su forma, pero lo recupera lentamente. ¿Vale? Hay un tiempo de recuperación, de relajación del material. Todo eso afecta. Es decir, cuando yo tengo la micropartícula interaccionando con el baño de calor, si el baño de calor tiene efecto memoria, es decir, si las acciones sobre el baño de calor están retrasadas, tienen un efecto de retardo, y por lo tanto la reacción, la realimentación sobre el sistema microscópico se retrasa en el tiempo, no es inmediata. Yo deformo un material y echa un tiempo en volver a su forma original y volver a contactar conmigo y por lo tanto el efecto de mi deformación es un efecto que se retrasa en el tiempo. Tengo que trabajar con sistemas no marcovianos y los conceptos matemáticos que se han desarrollado en termodinámica estocástica, que incluyen todo este tipo de conceptos modificados de los que hemos hablado, han sido sobre todo bien definidos matemáticamente para sistemas marcovianos y ahora se está empezando a trabajar con sistemas no marcovianos y ahí es donde se enmarca este artículo que se acaba. De publicar en Nature Physics. Es un artículo que salió en Archive al principio de este año; creo que es un artículo de lo que es Muruga, Félix Guino y Clemens Beckinger de la Universidad de Constanza en Alemania, y de Sarah Laws del Instituto Masplan de Dinámica y Autorganización de Gotinga, también en Alemania. Se titula La extracción de trabajo a partir de grados de libertad ocultos. Y la novedad de este trabajo es que es un trabajo experimental; es que se trabaja con un sistema no marcoviano, un sistema que tiene memoria. En concreto, una partícula. Claro aquí las partículas, imaginaos que tuviéramos que explorar un átomo; todavía no hemos llegado a demonios de Maxwell de escala átomo-átomo pero es una pequeña partícula, es una pequeña esfera de sílice de 2,7 micrómetros, digamos 3 micrómetros de…
Francis Villatoro explica cómo una disolución viscoelástica recupera su forma deformada de manera retrasada, con un tiempo característico de recuperación de 6 segundos.
Habla: Francis VillatoroPalabras #8disolución viscoelástica tiempo recuperaciónpinzas ópticas partícula atrapadaefecto retardado de memoriatiempo relajación partícula…muy alargadas, son como pequeños polímeros, son formadas por como cuentas de collar, como moléculas alargaditas en forma de cuentas de collar y esas cuentas cuando responden de manera elástica pues no responden de manera inmediata como si fuera un muelle. Cuando yo la presiono mecánicamente, las deformo, no responden como un muelle, sino que responden como un material que le cuesta más trabajo, acaban recuperando, pero le cuesta más trabajo y lo hacen de manera retrasada. Entonces, en esta disolución viscoelástica, en concreto, el tiempo característico son 6 segundos el tiempo de recuperación Entonces yo voy, si yo actúo sobre esa partícula que tengo atrapada con una trampa, unas pinzas ópticas Actúo sobre ella, básicamente moviendo la pinza, de tal manera que mecánicamente la partícula se mueve si lo hago más rápido de 6 segundos yo puedo tener constancia o puedo explorar efectos que dependen de la memoria porque mi acción es más rápida que el tiempo de relajación con lo que yo puedo explorar con mi acción, cada segundo, puedo explorar cómo responde el efecto retardado de memoria, el efecto marcoviano y dota la partícula. Entonces aquí lo que se ha hecho es ir a lo bruto, es decir, se toman 100 hercios, 100 imágenes de la partícula por segundo, cuando el tiempo de relajación del material es de 6 segundos y con una resolución espacial; esto se mueve muy poquito. Las trampas…
Francis Villatoro reflexiona sobre el proceso de introducir trabajo en una partícula y cuestiona la validez de las observaciones realizadas, específicamente cómo la memoria del material influye en los resultados.
Habla: Francis VillatoroSignificado #20trabajo sobre la partículamemoria del material influyeobservaciones realizadas por francis villatoro…que estar fluctuando entre ceros y uno, entre todos los intervalos completos, ahora resulta que porque uno esté, la primera medida esté en el uno, muy lejos, y resulta que la segunda esté más cerca porque la memoria del material todavía no me ha actuado. Eso significa que yo estoy introduciendo un trabajo sobre la partícula. ¿Y quién es la fuente de ese trabajo? La información asociada a la memoria del material. Y tú dices, a ver, un segundo: yo me estoy volviendo loco, no estoy enterando de nada, o sea, ¿cómo se puede estar diciendo ese tipo de cosas? Es decir, lo que se está planteando es que de alguna manera ese material viscoelástico, esas micelas, agarran a la bolita de tal manera de que las retienen antes del tiempo de relajación y eso hace que en la segunda medida sea más probable que siga siendo un…
Francis Villatoro explica cómo se puede usar el lenguaje termodinámico para entender las diferencias observadas en un experimento y relaciona esto con la idea principal de un artículo científico.
Habla: Francis VillatoroSignificado #15 · Palabras #6lenguaje termodinámico sistemas marcovianossistema viscoelástico pinza ópticaexperimento ventana de tiempo 6 segundosprimera medida cambio posición pinzaefecto memoria sistema viscoelásticoinformación en medidas velocidad pozo potencialumbral de ultraizquierda partícula…tiempo muy corto, pues por alguna razón estoy alterando lo que sería la trayectoria típica, trayectoria estocástica típica del sistema. Luego estoy introduciendo trabajo, porque estoy diferenciando entre 0, 0, 1 y 1, 0; estoy diferenciando entre 0, 1 y 1, 1. Puede usar el lenguaje termodinámico para entender esas diferencias. Esa es básicamente la idea del artículo. La idea del artículo es: ¿por qué es relevante este artículo? Cuando te lo explican así, tú dirás: esto es una chorrada. Es relevante porque estoy aplicando todo un lenguaje desarrollado para sistemas marcovianos, sistemas sin memoria, en los que el presente determina de manera unívoca el futuro, pero en esa ventana de tiempo de 6 segundos en este experimento, estoy viendo cómo necesito conocer cuánto tiempo pasó desde que realicé la primera medida, o sea, realicé, mejor dicho, no la primera medida, realicé el darle el movimiento, o sea, cambiar de posición ligeramente la pinza óptica, que es lo que provoca esa respuesta del sistema viscoelástico que se retrasa. Yo hago algo, una acción sobre el sistema viscoelástico y eso genera, entre comillas, un efecto memoria, un efecto de retraso que acaba, entre comillas, generando información; todo entre comillas porque ya os digo, la información no está en la partícula. Cualquiera que vea la partícula dirá: pues yo no veo ninguna información. No, no, la información está en las medidas de la velocidad dentro del pozo de potencial y ese umbral de ultraizquierda que yo he puesto. ¿Veis que esto es una cosa que si te la cuentan y no te dicen nada de que esto ni es información, ni es calor, ni es trabajo, ni es temperatura, ni es entropía, es otra cosa? ¿Vale? Que se llama información estocástica, que se llama calor estocástico, que se…
Francis Villatoro explica que los resultados obtenidos en el experimento, publicados en Nature, tienen una utilidad importante: ayudar a redefinir la termodinámica estocástica aplicada a sistemas no marcovianos.
Habla: Francis VillatoroSignificado #2 · Palabras #4trabajo útil estocástico sistema viscoelásticotiempo de relajación trayectoriasefecto memoria naturetermodinámica estocástica sistemas no marcovianosresultados experimento publicados natureredefinir termodinámica estocástica villatorotermodinámica estocástica sistemas cuánticosefecto memoria naturaleza physicsaplicaciones potenciales biologíasistema microscópico trabajo estocástico…de que esto ni es información, ni es calor, ni es trabajo, ni es temperatura, ni es entropía, es otra cosa? ¿Vale? Que se llama información estocástica, que se llama calor estocástico, que se llama temperatura estocástica, que se llama entropía estocástica. Es otra cosa aplicada a este tipo de sistema, porque lo estoy mirando en las trayectorias, pero bueno, se ha encontrado que, entre comillas, el trabajo útil estocástico observado en este cambio en la trayectoria, en estas transiciones, cuando el tiempo de las dos medidas es menor que el tiempo de relajación, es hasta el máximo que se ha obtenido; es tres veces mayor que si no hay efecto memoria. Entonces, bueno, eso se considera un resultado relevante y se ha publicado en Nature. Physics Pero, ya os digo, ¿esto qué utilidad tiene? Lo importante es que esto nos va a ayudar a redefinir mejor, a moldear toda la matemática de la termodinámica estocástica aplicada a sistemas no marcovianos. Estos experimentos, este y muchos experimentos que vendrán, acabarán dándonos información de cómo definir de nuevo esos conceptos. En el que el sistema no se comporta de manera marcoviana y eso nos va a ayudar a, entre comillas, quizás diseñar mecanismos que sean útiles en tecnologías cuánticas. Todo esto es clásico, todo esto es completamente clásico; aquí no hay nada cuántico. Pero bueno, ahí la termodinámica estocástica también se aplica a sistemas cuánticos abiertos: entonces abierto significa que hay un baño térmico que interacciona con el sistema cuántico y se cree que esto tendrá aplicaciones en biología, pero son aplicaciones potenciales; es decir, ahora mismo el gran interés de este artículo, el por qué este artículo se publica en Nature Physics es porque es un artículo que es el primero que muestra experimentalmente información obtenida de un efecto tipo memoria que genera trabajo, en el sentido estocástico, en un sistema microscópico. Bueno, se nos ha echado el tiempo encima, Francis; yo no sé si tú te tienes que ir ya para tu clase o te queda un ratito más, porque bueno, ahora llega el momento de la pausa. Vamos a tomar un cafecito a la vuelta; yo les invito. Es más, les conmino, amigas,…