그의 1824 년 책에서 불의 동기에 대한 반사 , 28 세의 프랑스 엔지니어 Sadi Carnot은 증기 엔진이 얼마나 효율적으로 스팀 엔진이 열 (임의의 확산 에너지로 알려진 열)을 작업으로, 피스톤을 밀거나 바퀴를 돌릴 수있는 질서있는 종류의 에너지를 어떻게 변환 할 수 있는지에 대한 공식을 만들었습니다. 놀랍게도, 그는 완벽한 엔진의 효율성이 엔진의 열원 (일반적으로 화재)과 방열판 (일반적으로 외부 공기)의 온도 차이에만 의존한다는 것을 발견했습니다. Carnot은 작업은 부산물이 더 따뜻한 몸에서 자연스럽게 더 차가운 몸으로 전달되는 열을 깨달았습니다.
Carnot은 8 년 후 콜레라로 사망했으며, 그의 효율성 공식은 19 세기에 열역학 이론으로 발전하는 것을 볼 수있게되기 전에 온도, 열, 작업, 에너지 및 엔트로피의 상호 작용을 지시하는 일련의 보편적 법률- 에너지의 끊임없는 끊임없는 신체에서 끊임없는 신체에서 확산되었습니다. 열역학의 법칙은 증기 엔진뿐만 아니라 태양, 블랙홀, 살아있는 존재 및 우주 전체에도 적용됩니다. 이론은 매우 단순하고 일반적으로 Albert Einstein이“절대로 전복 될 가능성이 없다”고 생각했습니다.
그러나 처음부터 열역학은 자연 이론들 사이에서 단 하나의 이상한 지위를 유지해 왔습니다.
물리학 자 Lídia del Rio와 공동 저자는 작년에 Journal of Physics a 에 썼다. . "다른 이론들은 그녀가 다소 이상하고, 어떻게 든 자연에서 다른 사람들과 다르지만, 모두가 그녀에게 조언을 구하기 위해 와서 아무도 그녀를 모순하지 않습니다."
.예를 들어, 입자 물리학의 표준 모델과는 달리, 존재하는 것을 얻으려고 노력하는 열역학 법칙은 할 수있는 것과 할 수없는 것을 말합니다. 그러나 이론에 대한 가장 이상한 점 중 하나는 이러한 규칙이 주관적으로 보인다는 것입니다. 집계에서 모두 동일한 온도 인 것으로 보이며 (따라서 일할 수 없기 때문에) 입자로 만들어진 가스는 결국 악용 될 수있는 현미경 온도 차이를 가질 수 있습니다. 19 세기 물리학 자 제임스 서기 맥스웰 (James Clerk Maxwell)은 다음과 같이 말했습니다.
최근 몇 년 동안, 온 열역학에 대한 혁신적인 이해는 양자 정보 이론을 사용 하여이 주관을 설명했습니다. 양자 시스템을 통한 정보의 확산. 열역학이 처음에 증기 엔진을 개선하려고 시도한 것처럼 오늘날의 열역학 자들은 양자 기계의 작동에 대해 성가시고 있습니다. 수축 기술-단일 이온 엔진과 3 개 원자 냉장고는 지난 1 년 만에 처음으로 실험적으로 실현되었습니다. 온도 및 작업과 같은 개념이 일반적인 의미를 잃고 고전적인 법칙이 반드시 적용되는 것은 아닙니다.
그들은 원본으로 확장되는 새로운 양자 버전의 법률을 발견했습니다. 하단에서 이론을 다시 작성하면 전문가들은 주관적인 특성 측면에서 기본 개념을 재구성하고 에너지와 정보 사이의 깊고 놀라운 관계를 풀어주었습니다. "Quantum Thermodynamics"는 충동과 혼란의 전형적인 혼합으로 표시되는 제작 분야입니다.
브리스톨 대학교 (University of Bristol)의 물리학자인 Sandu Popescu는“우리는 용감한 새로운 열역학 세계에 들어가고 있습니다. "시작한대로 매우 좋았지 만, 고전적인 열역학을 언급하면서“지금까지 우리는 완전히 새로운 방식으로보고 있습니다.”
.불확실성으로서의 엔트로피
Maxwell은 그의 동료 스코틀랜드 인 Peter Tait에게 보낸 편지에서 열역학과 정보 사이의 연결에 대한 그의 현재 유명한 역설을 설명했습니다. 역설은 열역학의 제 2 법칙 (엔트로피가 항상 증가한다는 규칙)에 관한 것이었다. 제 2 법칙에 따르면, 에너지는 더 뜨거운 신체에서 더 추운 신체로 퍼져 온도의 차이가 감소함에 따라 더욱 장애가없고 덜 유용 해집니다. (Carnot의 일을하기 위해 뜨거운 몸과 차가운 몸이 필요하다는 발견을 상기하십시오.) 화재가 죽고 커피 한 잔이 시원하며 우주는“열 죽음”으로 알려진 균일 한 온도로 돌진합니다. 그 후에는 더 이상 작업을 수행 할 수 없습니다.
위대한 오스트리아 물리학 자 루드비히 볼츠 만 (Ludwig Boltzmann)은 간단한 통계 문제로 에너지가 분산되고 엔트로피가 증가 함을 보여 주었다. 몇 가지에 집중된 것보다 시스템의 입자들 사이에 에너지가 퍼지는 더 많은 방법이있다.
그러나 맥스웰의 서한은 나중에 맥스웰의 악마라고 불리는 계몽 된 존재가 지식을 사용하여 엔트로피를 낮추고 제 2 법을 위반하는 사고 실험을 설명했다. 악마는 가스 용기에있는 모든 분자의 위치와 속도를 알고 있습니다. 용기를 분할하고 두 챔버 사이의 작은 도어를 열고 닫음으로써 악마는 빠르게 움직이는 분자 만 한쪽으로 들어가고 느린 분자 만 다른 방향으로 갈 수있게합니다. 악마의 행동은 가스를 뜨겁고 차가운 상태로 나누어 에너지를 집중시키고 전체 엔트로피를 낮 춥니 다. 한 번 쓸모없는 가스는 이제 작동 할 수 있습니다.
맥스웰과 다른 사람들은 자연의 법칙이 분자의 위치와 속도에 대한 지식 또는 무지에 어떻게 의존 할 수 있는지 궁금해했습니다. 열역학의 제 2 법칙이 자신의 정보에 주관적으로 의존한다면, 어떤 의미에서 사실입니까?
한 세기 후, 레오 스질 라드 (Leo Szilard)와 롤 랜도 어 (Rolf Landauer)의 작품을 구축 한 미국 물리학 자 찰스 베넷 (Charles Bennett)은 열역학을 젊은 정보의 과학과 공식적으로 연결함으로써 역설을 해결했다. 베넷은 악마의 지식이 기억에 저장되고 기억을 청소해야한다고 주장했다. (1961 년에 Landauer는 실온에서 컴퓨터가 저장된 정보를 약간 지우려면 최소 2.9 제프 토지의 에너지가 필요하다고 계산했습니다. 즉, 악마가 가스를 뜨겁고 차가운 상태로 구성하고 가스의 엔트로피를 낮추고 뇌가 에너지를 태우고 충분한 엔트로피를 생성 할 수 있습니다. 가스 데몬 시스템의 전체 엔트로피는 증가하여 열역학의 제 2 법칙을 만족합니다.
결과는 Landauer가 말한 것처럼“정보는 물리적입니다.” 정보가 많을수록 더 많은 작업을 추출 할 수 있습니다. Maxwell의 악마는 평균 사용자보다 훨씬 더 많은 정보를 가지고 있기 때문에 단일 온도 가스에서 작동 할 수 있습니다.
그러나 물리학 자들이 놀라운 영향을 완전히 탐구하기 위해 양자 컴퓨터를 추구하면서 태어난 분야 인 양자 정보 이론의 상승이 또 다른 반세기가 걸렸습니다.
지난 10 년 동안 Popescu와 그의 Bristol 동료들은 다른 그룹들과 함께 에너지가 입자들 사이에 정보가 퍼지는 방식으로 인해 뜨거운 물체의 차가운 대상으로 에너지가 퍼지고 있다고 주장했습니다. 양자 이론에 따르면, 입자의 물리적 특성은 확률 론적이다. 1 또는 0으로 표현되는 대신 1 일 확률과 동시에 0이 될 확률을 가질 수 있습니다. 입자가 상호 작용하면 얽히게되어 두 상태를 설명하는 확률 분포를 결합 할 수 있습니다. 양자 이론의 중심 기둥은 입자의 상태를 나타내는 확률 론적 1과 0의 정보는 결코 손실되지 않는다는 것입니다. (우주의 현재 상태는 과거에 대한 모든 정보를 보존합니다.)
그러나 시간이 지남에 따라 입자가 상호 작용하고 점점 더 얽히게함에 따라 개별 상태에 대한 정보가 퍼지고 점점 더 많은 입자들 사이에서 섞여 공유됩니다. Popescu와 그의 동료들은 양자 얽힘을 증가시키는 화살표가 엔트로피의 예상 상승, 즉 열역학적 화살표의 기초가된다고 생각합니다. 커피 한 잔은 실온으로 식으며, 커피 분자는 공기 분자와 충돌함에 따라 에너지가 누출되어 주변 공기가 공유하는 정보가 공기 분자와 충돌하기 때문에 설명합니다.
.엔트로피를 주관적인 측정으로 이해하면 우주 전체가 정보를 잃지 않고 진화 할 수 있습니다. 커피, 엔진 및 사람과 같은 우주의 일부가 Quantum Information이 희석함에 따라 엔트로피가 상승하는 것을 경험하더라도 우주의 글로벌 엔트로피는 영원히 제로를 유지합니다.
스위스 Zurich의 교수 인 Renato Renner는 이것을 관점에서 급진적 인 변화로 묘사했습니다. 15 년 전“우리는 엔트로피를 열역학적 시스템의 특성으로 생각했습니다.”라고 그는 말했습니다. "이제 정보 이론에서 우리는 엔트로피가 시스템의 속성이 아니라 시스템을 설명하는 관찰자의 속성이라고 말할 것입니다."
.또한 에너지에는 두 가지 형태의 쓸모없는 열과 유용한 작업이 있다는 생각은“증기 엔진에 적합하다”고 Renner는 말했다. "새로운 방식으로, 우리가 부분 정보를 가지고있는 에너지 사이에는 전체 스펙트럼이 있습니다."
엔트로피와 열역학은“이 새로운 견해에서는 미스터리가 훨씬 적다”고 말했다. "그래서 사람들은 오래된 것보다 새로운 시야를 좋아하는 이유입니다."
대칭의 열역학
정보, 에너지 및 기타 "보존 된 수량"사이의 관계는 손을 바꿀 수는 있지만 결코 파괴되지 않았으며 지난 7 월 Nature Communications 에 동시에 출판 된 두 개의 논문에서 새로운 차례를 취했습니다. , 하나는 브리스톨 팀과 다른 하나는 University College London의 Jonathan Oppenheim을 포함한 팀에 의해. 두 그룹 모두 정보를 다른 다른 물질 자원 간의 거래를위한 일종의 통화로 사용하는 가상의 양자 시스템을 고안했습니다.
에너지와 각 운동량을 모두 갖는 입자의 광대 한 용기 또는 저수지를 상상해보십시오 (둘 다 주위를 돌아 다니며 회전하고 있습니다). 이 저수지는 두 무게와 연결되어 있으며, 이는 에너지를 들어 올리려면 에너지와 회전 턴테이블이있어 각 운동량이 속도를 높이거나 느리게합니다. 일반적으로 단일 저수지는 어떤 일도 할 수 없습니다. 이것은 뜨거운 저수지의 필요성에 대한 Carnot의 발견으로 거슬러 올라갑니다. 그러나 연구원들은 여러 보존 수량을 포함하는 저수지가 다른 규칙을 따른다는 것을 발견했습니다. Popescu는“에너지와 각도 운동량과 같이 보존되는 두 가지 물리적 양이 있다면 두 가지를 포함하는 욕조가있는 한 서로 거래 할 수 있습니다.”
.가상의 중량-자비선 전환 시스템에서 턴테이블이 느려질 때 무게가 들어 올릴 수 있습니다. 연구원들은 입자의 에너지 및 스핀 상태를 설명하는 양자 정보가 저수지의 에너지와 각 운동량 공급 사이의 거래를 가능하게하는 일종의 통화 역할을 할 수 있음을 발견했습니다. 양자 시스템에서 보존 된 양이 서로 거래 될 수 있다는 개념은 새롭습니다. 그것은 에너지의 흐름뿐만 아니라 우주의 모든 보존 된 양 사이의 상호 작용을 설명 할보다 완전한 열역학적 이론의 필요성을 시사 할 수있다.
.Oppenheim은 에너지가 열역학 이야기를 지배했다는 사실은 심오한 것이 아니라 정황이 될 수 있다고 말했다. Carnot과 그의 후계자들은 필요가 있다면 엔진 이론과 함께 갈 수있는 각 운동량의 흐름을 제정하는 열역학적 이론을 개발했을 것입니다. Oppenheim은“우리는 추출하고 사용하고자하는 에너지 원을 가지고 있습니다. “우리 주변에 큰 각 운동량 열 목욕이없는 경우입니다. 우리는 거대한 자이로 스코프를 발견하지 못합니다.”
작년에 양자 정보 이론과 양자 기초에 대한 그의 통찰력으로 Dirac 메달을 획득 한 Popescu는 그와 그의 협력자들은“양자 역학을 모퉁이로 밀어 붙이고”새로운 통찰력으로 추론하여 관련 방정식을 도출하기가 쉽습니다. 일부 실현은 결정화 과정에 있습니다. 3 월에 여러 전화 대화 중 하나에서 Popescu는 정보와 다른 보존 수량의 구별을 보여주는 새로운 사고 실험을 논의했으며 자연의 대칭이 어떻게 그들을 구별 할 수 있는지를 나타냅니다.
"당신과 나는 원격 은하의 다른 행성에 살고 있다고 가정 해보자"그는 Popescu가 당신이 그의 행성을 찾기 위해 어디를 찾아야하는지 의사 소통하기를 원한다고 가정합니다. 유일한 문제는 물리적으로 불가능하다는 것입니다.“햄릿 이야기를 보낼 수 있습니다. 그러나 나는 당신에게 방향을 나타낼 수 없습니다.”
Popescu는“자연은 보편적 인 참조 프레임]을 제공하지 않기 때문에 서로의 은하를 찾는 방법을 찾는 순수한 방향이없는 1과 0의 줄로 표현할 방법이 없다고 Popescu는 말했다. 예를 들어, 작은 화살표가 우주의 직물의 모든 곳에서 꿰매어 움직임 방향을 나타내는 경우 - 이것은 우주의 대칭 인“회전 불변”을 위반할 것입니다. 우주의 움직임과 일치하면 턴테이블이 더 빨리 전환되기 시작하며 각 운동량은 보존되지 않은 것처럼 보입니다. 20 세기 초 수학자 에미 노이 에테르 (Emmy Noether)는 모든 대칭이 보존법과 함께 제공됨을 보여 주었다. 우주의 회전 대칭은 우리가 각도 운동량이라고 부르는 수량의 보존을 반영한다. Popescu의 사고 실험은 정보로 공간 방향을 표현할 수 없다는 것이“보존법과 관련이있을 수있다”고 말했다.
정보 측면에서 우주에 관한 모든 것을 표현할 수없는 것처럼 보이는 것은 자연에 대한보다 근본적인 설명을 찾는 것과 관련이있을 수 있습니다. 최근 몇 년 동안, 많은 이론가들은 시공간, 우주의 구부러진 직물, 그리고 그 내부의 문제와 에너지가 얽힌 양자 정보 네트워크에서 발생하는 홀로그램 일 수 있다고 믿게되었습니다. Oppenheim은“하나는 조심해야합니다.
개념 사이의 논리적 연결을 알면 물리학자가 블랙홀 안에서 자신의 길을 추론하는 데 도움이 될 수 있습니다. 온도와 엔트로피가있는 것으로 알려진 신비한 시공간 삼키기 물체와 어떻게 든 정보를 발산하는 데 도움이됩니다. Popescu는“블랙홀의 가장 중요한 측면 중 하나는 열역학입니다. “그러나 복잡한 주제이기 때문에 블랙홀에서 논의하는 열역학의 유형은 여전히 전통적인 유형입니다. 우리는 열역학에 대한 완전히 새로운 견해를 개발하고 있습니다.” 그는“불가피하다”고 말했다.“우리가 개발하고있는이 새로운 도구는 다시 돌아와 블랙홀에 사용될 것입니다.”
.기술자에게 말할 내용
Exeter University의 양자 정보 과학자 인 Janet Anders는 양자 열역학을 이해하기위한 기술 중심의 접근 방식을 취합니다. 앤더스는“우리가 [규모로] 더 나아가면 좋은 이론이없는 지역을 강타 할 것입니다. "그리고 문제는 기술자에게 알리기 위해이 지역에 대해 무엇을 알아야합니까?"
2012 년 Anders는 현재 300 명의 회원이있는 양자 열역학에 전념하는 유럽 연구 네트워크를 고안하고 공동 설립했습니다. 그녀는 네트워크에 동료들과 함께 언젠가 운전하거나 냉각하거나 태양 전지판, 생물 공학 및 기타 애플리케이션에서 사용할 수있는 양자 엔진과 냉장고의 양자 전환을 지배하는 규칙을 발견하기를 희망합니다. 이미 연구원들은 양자 엔진이 할 수있는 것을 더 잘 이해하고 있습니다. 2015 년, 히브리어 대학교의 Raam Uzdin과 동료들은 양자 엔진이 고전적인 엔진을 능가 할 수 있다고 계산했습니다. 이러한 확률 론적 엔진은 여전히 Carnot의 효율성 공식을 따릅니다. 뜨거운 몸과 차가운 몸체 사이에 에너지에서 파생 될 수있는 작업이 얼마나 많은지에 대한 측면에서도 계속됩니다. 그러나 때때로 그들은 작업을 훨씬 더 빨리 추출하여 더 많은 힘을 제공 할 수 있습니다. 단일 이온으로 만든 엔진은 실험적으로 시연되고 Science 에서보고되었습니다. 2016 년 4 월에는 전력 향상 양자 효과를 활용하지는 않았지만
Popescu, Oppenheim, Renner 및 그들의 코호트도 더 구체적인 발견을 추구하고 있습니다. 3 월, Oppenheim과 그의 박사후 연구원 인 Lluis Masanes는 양자 정보 이론을 사용하여 절대적인 온도에 도달 할 수 없다는 역사적으로 혼란스러운 진술 인 열역학의 제 3 법칙을 도출하는 논문을 발표했습니다. 그들은“냉각 속도 한계”가 당신이 절대 제로에 도달하지 못하게하는 것을 보여 주었다는 것을 보여주었습니다. 한계에서 유한 크기의 물체에서 입자에서 정보를 빠르게 펌핑 할 수있는 속도에 대한 한계에서 발생합니다. 속도 제한은 2 월에 사전 인쇄에보고 된 것과 같이 양자 냉장고의 냉각 능력과 관련이있을 수 있습니다. 2015 년 Oppenheim 및 기타 공동 작업자들은 열역학 제 2 차 법칙이 양자 척도로 두 번째 "법칙"으로 대체 된 것으로 나타났습니다. 양자 엔진을 포함하여 입자의 물리적 상태를 정의하는 확률 분포가 어떻게 진화하는지에 대한 제약.
양자 열역학의 분야가 빠르게 성장함에 따라 다양한 접근 방식과 발견을 산란에 따라 일부 전통적인 열역학 자들은 혼란을 봅니다. 독일 아우 크스 부르크 대학교 (University of Augsburg)의 보컬 비평가 인 Peter Hänggi는 양자 컴퓨팅의 전직 실습자들에 의해 정보의 중요성이 대체되어 있다고 생각합니다. 그는 양자 정보 이론가들이 다양한 종류의 엔트로피 (열역학적, 정보 이론적 종류)를 혼동하고 적용되지 않는 도메인에서 후자를 사용한다고 비난합니다. Maxwell의 악마는“내 신경을 썼다”고 Hänggi는 말했다. 그는 Oppenheim과 Company의 두 번째 열역학에 대해 물었을 때“내 혈압이 상승하는 이유를 알 수 있습니다.”
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Hänggi는 그의 비판에서 너무 구식으로 여겨지지만 (양자 정보 이론가들은 열역학적 이론과 정보 이론적 엔트로피 사이의 연결을 연구한다), 다른 열역학 주의자들은 그가 유효한 점수를 만든다고 말했다. 예를 들어, 양자 정보 이론가들이 추상 양자 기계를 사용하여 그들이 일을 할 수 있는지 확인하면 때때로 양자 시스템에서 동시 양자 확률을 파괴한다는 점에서 정확히 양자 시스템에서 작업을 추출하는 방법에 대한 의문을 회피하는 경우가 있습니다. Anders와 그녀의 공동 작업자들은 최근 양자 작업 추출 및 저장에 대한 새로운 아이디어 로이 문제를 해결하기 시작했습니다. 그러나 이론적 문헌은 온통 어디에있다.
“많은 흥미로운 것들이 테이블에 던져졌습니다. 싱가포르 국립 대학교 (National University of Singapore)의 양자 정보 이론가이자 열역학 주의자 인 Valerio Scarani는 양자 냉장고를보고 한 팀의 일원 인 Valerio Scarani가 말했다. “우리는 약간의 합성이 필요합니다. 우리는 당신의 아이디어가 거기에 맞는 것을 이해해야합니다. 내 것이 여기에 맞습니다. 우리는 일에 대한 8 가지 정의를 가지고 있습니다. 어쩌면 우리는 일의 9 번째 정의를 제시하는 것이 아니라 어떤 상황에서 어느 것이 옳은지 알아 내려고 노력해야 할 것입니다.”
.Oppenheim과 Popescu는 Hänggi와 완전히 동의합니다. Oppenheim은“모든 것이 정보라고 믿는 정보 이론가들에 대해 조심하고 있습니다. "증기 엔진이 개발되고 열역학이 본격화되었을 때, 우주가 단지 큰 증기 엔진이라는 사람들이있었습니다." 실제로 그는“그보다 훨씬 더 지저분하다”고 말했다. 그가 양자 열역학에 대해 그가 좋아하는 것은“당신은 에너지와 양자 정보의 두 가지 기본량을 가지고 있으며이 두 가지는 함께 만난다. 그것은 나에게 그렇게 아름다운 이론을 만드는 이유입니다.”
수정 :이 기사는 2017 년 5 월 5 일에 수정되어 Lluis Masanes가 학생이 아닌 박사후 연구원임을 반영합니다.
