양자역학과 열역학의 관계 (연구 및 결과)

 

 

 

네덜란드와 독일의 물리학자들은 열역학 이론과 양자역학 이론이 양자 프로세서에서 광자의 동작을 설명하는 데 모두 유효한 방법이라는 것을 보여주었습니다. 트벤테 대학교와 베를린 자유 대학교의 연구진이 얻은 이 결과는 이 두 가지 위대한 이론을 조화시키는 방법에 대해 더 깊이 이해할 수 있는 문을 열어줍니다.

열역학과 양자역학은 현대 물리학의 초석이지만, 한 가지 중요한 점에서 서로 잘 어울리지 않습니다. 논쟁의 핵심은 닫힌 시스템은 돌이킬 수 없는 방식으로 최대 엔트로피(시스템의 무질서 또는 혼돈을 나타내는 척도)를 향해 움직인다는 열역학 제2법칙을 중심으로 전개됩니다. 반면 양자역학 이론에서는 입자의 이전 상태를 다시 계산할 수 있으므로 정보와 시간의 흐름이 모두 되돌릴 수 있습니다.

 

최근 몇 년 동안 초저온 원자나 초전도 양자비트(큐비트)와 같은 얽힌 양자 시스템을 이용해 이러한 충돌을 탐구하려는 시도가 여러 차례 있었습니다. 이러한 시스템이 열화 및 평형을 이룰 때 어떤 일이 일어나는지 관찰하면 엔트로피와 양자 상태를 동시에 측정하여 역설을 해결할 수 있을 것입니다.

문제는 양자 시스템이 환경과의 상호작용에 매우 민감하다는 것입니다. 따라서 진정으로 폐쇄적인 시스템을 만들기가 어렵습니다. 또한 양자 시스템은 양자 특성을 잃기 쉬운데, 이 과정을 '디코히어런스'라고 하며 시간 역전을 구현하기 어렵게 만듭니다.

 

 

문제해결 및 시작
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 얽힌 광자 시스템에서 열화 및 평형을 연구하기로 결정했습니다. 광자는 원자로 구성된 양자 시스템에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 본질적으로 양자적 특성으로 인해 비결합성이 발생하지 않습니다. 원자에 필요한 초저온과 달리 상온에서 연구할 수 있으며 간섭으로 조작하기 쉽습니다. 가장 중요한 것은 시간 가역성을 허용한다는 점입니다. 광자의 혼합은 역연산을 수행하여 되돌릴 수 있으며, 이는 얽힌 광자를 사실상 "풀 수 있다"는 것을 의미합니다.

이 실험에서 연구원들은 단일 광자를 칩의 도파관 채널에 주입하는 것으로 시작합니다. 이 광자는 칩의 광자 채널이 만나고 교차하는 지점에서 간섭을 일으킵니다. 연구팀이 열광학 마하-젠더 간섭계로 제어한 이 간섭은 도파관에 광자의 중첩을 생성하고 얽힘이 쌓이도록 합니다. 그런 다음 단일 광자 검출기로 광자를 감지합니다.

 

 

과정 및 결과
시스템의 국부적 및 전체 엔트로피 증가를 확인하기 위해 연구진은 일련의 프로토콜을 수행했습니다. 예를 들어, 시간 가역성은 광자를 풀어서 구현했는데, 이는 프로세서가 실험을 완전히 제어할 수 있었기 때문에 가능했습니다.

이러한 프로토콜이 완료된 후, 실험의 개별 출력 채널에서 측정한 결과 광자 수를 더 이상 정확하게 정의할 수 없는 것으로 나타났습니다. 이는 광자가 서로 얽힌 상태여서 더 이상 입력할 때처럼 단일 채널에서 개별적으로 위치가 지정되지 않았기 때문입니다. 그러나 연구진이 각 채널에서 측정한 광자 통계는 열역학 제2법칙에 따라 모든 채널에서 엔트로피가 국부적으로 증가했음을 보여주었습니다. 동시에 광자 사이에 형성된 얽힘은 개별 채널에서는 보이지 않으며, 전체 시스템을 고려할 때만 전체 양자 상태가 양자역학에 부합하는 순수한 형태라는 것이 분명해졌습니다.

최종 확인을 위해 물리학자들은 프로세서를 원래 상태로 되돌리기 위한 작업(시간 반전)을 수행했습니다. 이 작업의 성공으로 열화 및 평형화 과정이 환경과의 상호 작용이 아닌 양자 입자 간의 얽힘에 의한 것임을 입증했습니다. 따라서 이 실험은 열역학과 양자역학이 동시에 참일 수 있다는 것을 보여주었습니다.

 

 

마지막으로
트벤테 대학의 양자 광학 전문가인 페파인 핑크세에 따르면, 연구팀의 가장 큰 과제는 측정을 수행하기에 충분한 고품질 데이터를 확보하는 것이었습니다. 그는 광자 프로세서의 낮은 손실이 도움이 되었으며, 더 많은 광자와 더 큰 프로세서를 통해 더 많은 시스템을 시뮬레이션할 수 있어야 한다고 말합니다. 그는 이 체인에서 가장 약한 요소는 광자 소스인 것 같다고 덧붙입니다: "최소 12개의 입력 채널이 있지만 동시에 실험할 수 있는 광자는 3개에 불과하기 때문에 개선의 여지가 있습니다."라고 그는 Physics World에 말합니다.

이번 연구에 참여하지 않은 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 양자 열역학 전문가인 니콜 융거 할펀은 이번 실험이 초저온 원자, 갇힌 이온, 초전도 큐비트와 관련된 이전의 광자 연구로 확장된 것이기 때문에 중요하다고 말합니다. 그녀는 이러한 플랫폼의 변화 덕분에 실험자들은 시스템이 내부적으로 평형을 이루도록 유도하는 과정을 되돌릴 수 있었고, 평형을 이루는 동안 시스템이 양자적 특성을 유지했다는 결론을 내릴 수 있었다고 말합니다. 이 작업을 수행하려면 "뛰어난 수준의 제어"가 필요하며, 이러한 제어를 달성하는 데 어려움이 있어 지난 몇 년 동안 다른 플랫폼을 사용하는 그룹이 상당한 불안을 겪어왔다고 덧붙였습니다.

이 연구는 Nature Communications에 게재되었습니다.