물리학자들은 양자역학과 열역학 모두 사실일 수 있다고 말한다 – Physics World

네덜란드와 독일의 물리학자들은 열역학 이론과 양자 역학 이론이 모두 양자 프로세서에서 광자의 행동을 설명하는 유효한 방법임을 보여주었습니다. University of Twente와 Freie Universität Berlin의 연구원들이 얻은 결과는 이 두 가지 위대한 이론을 조화시키는 방법에 대한 더 깊은 이해의 문을 열어줍니다.

열역학과 양자역학은 현대 물리학의 초석이지만 한 가지 구체적이고 중요한 면에서 서로 잘 맞지 않습니다. 쟁점은 열역학 제XNUMX법칙을 중심으로 전개되는데, 닫힌 시스템은 되돌릴 수 없는 방식으로 최대 엔트로피(시스템의 무질서 또는 혼돈의 척도)를 향해 움직일 것이라고 말합니다. 대조적으로 양자 역학 이론은 입자의 이전 상태를 다시 계산할 수 있도록 허용합니다. 즉, 정보의 흐름과 시간이 모두 가역적임을 의미합니다.

최근 몇 년 동안 초저온 원자 또는 초전도 양자 비트(큐비트)와 같은 얽힌 양자 시스템을 사용하여 이 충돌을 탐구하려는 여러 시도가 있었습니다. 이러한 시스템이 열화되고 평형화될 때 어떤 일이 발생하는지 관찰함으로써 엔트로피와 양자 상태를 동시에 측정하여 역설을 해결할 수 있어야 합니다.

문제는 양자 시스템이 환경과의 상호 작용에 매우 민감하다는 것입니다. 이로 인해 진정으로 닫힌 시스템을 만들기가 어렵습니다. 그들은 또한 시간 반전을 구현하기 어렵게 만드는 디코히어런스(decoherence)로 알려진 프로세스인 양자 특성을 잃는 경향이 있습니다.

구출 포토닉스

이러한 문제를 해결하기 위해 팀은 얽힌 광자 시스템에서 열화 및 평형을 연구하기로 결정했습니다. 광자는 (예를 들어) 원자로 구성된 양자 시스템에 비해 몇 가지 장점이 있습니다. 그들의 본질적인 양자적 특성은 결 어긋남으로 고통받지 않는다는 것을 의미합니다. 원자에 필요한 초저온과 달리 상온에서 연구할 수 있으며 간섭으로 조작하기 쉽습니다. 가장 중요한 것은 시간 가역성을 허용한다는 것입니다. 역 연산을 수행하여 광자의 모든 혼합을 되돌릴 수 있습니다. 즉, 얽힌 광자가 사실상 "풀릴" 수 있습니다.

실험에서 연구원들은 단일 광자를 칩의 도파관 채널에 주입하는 것으로 시작했습니다. 이러한 광자는 칩의 광자 채널이 만나고 교차하는 곳에서 간섭합니다. 팀이 열광학 마하젠더 간섭계로 제어한 이 간섭은 도파관에서 광자의 중첩을 생성하고 얽힘이 형성되도록 합니다. 그런 다음 광자는 단일 광자 검출기로 검출됩니다.

동시에 참

시스템의 국소 및 전체 엔트로피 증가를 확인하기 위해 연구원들은 일련의 프로토콜을 수행했습니다. 예를 들어, 시간 가역성은 광자를 풀어서 구현되었으며, 이는 프로세서가 실험에 제공하는 전체 제어로 인해 가능했습니다.

이러한 프로토콜이 완료되면 실험의 개별 출력 채널에서 측정한 결과 광자 수가 더 이상 정확하게 정의될 수 없음이 나타났습니다. 이것은 광자가 함께 얽힌 상태에 있었고 더 이상 입력에서와 같이 단일 채널에 개별적으로 국한되지 않았기 때문입니다. 그러나 연구원들이 각 채널에서 측정한 광자 통계는 열역학 제XNUMX법칙과 일치하는 모든 채널에서 국부적으로 엔트로피가 증가했음을 보여주었습니다. 동시에 광자 사이에 형성된 얽힘은 개별 채널에서 볼 수 없습니다. 전체 시스템을 고려할 때만 전체 양자 상태가 양자 역학과 일치하는 순수한 형태라는 것이 분명해집니다.

최종 확인으로 물리학자들은 프로세서를 원래 상태로 되돌리는 작업을 수행했습니다(시간 반전). 이러한 작업의 성공은 열화 및 평형화 프로세스가 환경과의 상호 작용이 아니라 양자 입자 간의 얽힘으로 인한 것임을 입증했습니다. 따라서 실험은 열역학과 양자역학이 동시에 참일 수 있음을 보여주었다.

고품질 데이터

에 따르면 페핀 핑크세Twente 대학의 양자 광학 전문가인 , 팀의 가장 큰 과제는 측정을 수행하기에 충분한 고품질 데이터를 얻는 것이 었습니다. 포토닉 프로세서의 낮은 손실이 도움이 되었으며 더 많은 광자와 더 큰 프로세서를 통해 더 많은 시스템을 시뮬레이션할 수 있어야 한다고 그는 말합니다. 체인에서 가장 약한 요소는 광자 소스인 것 같다고 그는 덧붙였습니다. 물리 세계.

숨은 이론: 열역학이 양자역학과 일반 상대성 이론만큼 중요한 이유

니콜 융거 할펀연구에 참여하지 않은 미국 국립 표준 기술 연구소(NIST)의 양자 열역학 전문가인 는 이번 실험이 초저온 원자, 포획된 이온 및 초전도 큐비트를 포함하는 이전 작업을 광자로 확장하기 때문에 중요하다고 말합니다. 그녀는 이러한 플랫폼의 변화를 통해 실험가들이 시스템이 내부적으로 평형을 이루도록 이끈 프로세스를 취소할 수 있었고 시스템이 평형을 유지하는 동안 양자 특성을 유지했다는 결론을 내릴 수 있다고 말했습니다. 이를 위해서는 "훌륭한 통제력"이 필요하다고 그녀는 지적하며, 이러한 통제력을 달성하는 데 어려움을 겪으면서 지난 몇 년 동안 다른 플랫폼을 사용하는 그룹이 상당한 불안을 느끼게 되었다고 덧붙였습니다.

연구 결과는 자연 통신.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/quantum-mechanics-and-thermodynamics-can-both-be-true-say-physicists/