물리 양자 정보를 이용한 맥스웰 도깨비

2013.12.30 00:13

가을의곰을... 조회 수:6132


양자 정보를 이용한 맥스웰 도깨비

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013121014&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-12-24




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이론적으로 맥스웰의 도깨비(Maxwell`s demon)는 뜨겁고 차가운 기체 분자를 분리시키기 위해 적절한 시간에 문을 열고 닫음으로써 시스템의 엔트로피(entropy)를 감소시킬 수 있다. 그러나, 1929년 물리학자 레오 스질라드(Leo Szilard)가 지적한 것처럼 엔트로피는 도깨비의 측정 프로세스가 엔트로피 형태의 정보를 필요로 하기 때문에 위와 같은 상황에서 감소하지 않는다. 현재 스질라드 엔진(Szilard engine (SZE))으로 불리는 스질라드의 소위 정보 열 엔진은 정보를 이용함으로써 일이 어떻게 형성되는지를 설명한다.

그 이후 고안된 SZE 및 기타 열 엔진에서 일을 생성하는데 사용되는 정보는 항상 고전적인 것이었다. 최근 열 엔진이 순수한 양자 역학 정보를 이용하여 생성될 수 있다는 것이 최초로 이론적으로 입증되었다.

한국 과학기술원 및 교토대와 공조한 부산대 연구진은 그들의 연구 결과를 Physical Review Letters에 보고하였다. 고전 정보가 일을 추출하는데 사용될 수 있다는 것을 알려진 것으로서 열역학 제2법칙을 보전할 수 있기 때문에 중요하다. 이러한 일의 수학적 표현은 시스템과 측정 디바이스 간의 상호 정보로 주어진다. 최근 연구진은 처음으로 양자 정보 또한 일을 추출하는데 사용될 수 있음을 입증할 수 있었다.

물리학자들의 설명과 같이 여러 측면에서 새로운 양자 열 엔진은 SZE와 유사하다. 모든 엔진은 열평형에서 시작되며, 분자 저장소를 두 공간으로 분리하는 일종의 벽이 존재한다. SZE에서 벽이 완벽한 반면 양자 열 엔진에서는 반투과이다.

도깨비와 사용된 분자 형태 또한 양자 열 엔진에서 다르다. 도깨비는 하나가 아닌 두 개의 메모리로 구성되는데, 이는 두 원자를 포함하는 분자를 이용하여 물리적으로 입증되었다. 각 원자는 두 스핀 상태에 물리적을 동일한 두 개의 내부 상태를 가지고 있다.

측정이 수행되기 전 두 원자는 최대로 뒤엉킨 양자 상태로 준비되며, 고전적으로 상관 상태가 된다. 측정이 분자를 분리함에 따라 두 원자 간의 양자 뒤엉킴(quantum entanglement)은 고전 상관성과 다르게 감소된다. 이것이 바로 양자 뒤엉킴인데, 양자 불협음으로 표현되어 일을 생성하는데 사용된다. 양자 불협음은 총 상관성에 비교하여 양자 역학 상관성의 양을 측정한다.

SZE와 같이 양자 열 엔진은 정보의 형태에서 엔트로피는 시스템에서 감소되지 않기 때문에 열역학 제2법칙을 위배하지 않는다. 양자 열 엔진이 순환하지 않기 때문에 메모리는 초기의 최대 뒤엉킴 상태로 회귀되지 않는다. 다시 말해 양자 정보는 자유롭지 않고, 일은 초기 상태를 회복하도록 수행된다.

연구진은 양자 정보로부터 열의 생성을 추가적으로 연구할 계획이다. 우선 엔진을 실험적으로 구현하는 방법을 고려하고 있다. 논문에서 설명된 예는 실제적으로 직접 구현하는 것이 쉽지 않다. 둘째 연구진은 평형에서 벗어난 양자 정보 열 엔진을 연구할 예정이다. 이는 피드백 조절을 갖춘 양자 섭동 이론을 구성하는 것과 연관된다.

[그림]
양자 정보 열 엔진에서 시스템은 저장소에 부착되며, 두 개의 뒤엉킴 상태를 가지고 있는 이원자 분자로 구성되는 메모리에 의해 측정 및 조절됨.

[원문]
Jung Jun Park, et al. "Heat Engine Driven by Purely Quantum Information." PRL 111, 230402 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.230402                
         
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