데이터를 완벽하게 삭제하고 가능한 최저 온도에 도달하는 것 -- 이 두 가지 는 완전히 다른 것처럼 보이지만 밀접하게 얽혀 있습니다.

가능한 절대 최저 온도는 섭씨 -273.15도입니다. 물체를 정확히 이 온도로 냉각하는 것은 결코 불가능합니다. 절대 영도에 접근할 수 있을 뿐입니다. 이것이 열역학 제3법칙입니다.

TU Wien(비엔나)의 연구팀은 이제 다음과 같은 질문을 조사했습니다. 이 법칙이 양자 물리학의 규칙과 어떻게 조화될 수 있습니까? 그들은 열역학 제3법칙의 “양자 버전”을 개발하는 데 성공했습니다. 이론적으로 절대 영도는 달성 가능합니다. 그러나 생각할 수 있는 레시피에는 에너지, 시간 및 복잡성이라는 세 가지 요소가 필요합니다. 그리고 이러한 성분 중 하나가 무한한 양일 때만 절대 영도에 도달할 수 있습니다.

정보와 열역학: 명백한 모순

양자 입자가 절대 영도에 도달하면 그 상태가 정확히 알려집니다. 에너지가 가장 낮은 상태에 있음이 보장됩니다. 그러면 입자에는 이전 상태에 대한 정보가 더 이상 포함되지 않습니다. 이전에 입자에 발생했을 수 있는 모든 것이 완벽하게 지워집니다. 양자 물리학의 관점에서 볼 때 정보 냉각 및 삭제는 밀접하게 관련되어 있습니다.

이 시점에서 정보 이론과 열역학이라는 두 가지 중요한 물리 이론이 만납니다. 그러나 이 둘은 서로 모순되는 것 같다. TU Wien의 원자 연구소. 그러나 열역학에서는 무엇이든 정확하게 절대 영도까지 냉각시키려면 무한한 양의 에너지가 필요하다고 말합니다. 하지만 정보를 삭제하는 것과 절대 영도까지 냉각하는 것이 같은 것이라면 어떻게 서로 맞물리나요?

에너지, 시간 및 복잡성

문제의 근원은 열역학이 19세기에 증기 기관, 냉장고 또는 빛나는 석탄 조각과 같은 고전적인 물체에 대해 공식화되었다는 사실에 있습니다. 그 당시 사람들은 양자 이론에 대해 전혀 몰랐습니다. 개별 입자의 열역학을 이해하려면 먼저 열역학과 양자 물리학이 어떻게 상호 작용하는지 분석해야 합니다. 이것이 바로 Marcus Huber와 그의 팀이 한 일입니다.

Marcus Huber는 “우리는 절대 영도에 도달하기 위해 반드시 무한한 에너지를 사용할 필요가 없다는 것을 금방 깨달았습니다.”라고 말했습니다. “유한한 에너지로도 가능합니다. 하지만 그러려면 무한히 긴 시간이 필요합니다.” 지금까지 고려 사항은 우리가 교과서에서 알고 있는 고전 열역학과 여전히 호환됩니다. 그러나 팀은 매우 중요한 추가 세부 사항을 발견했습니다.

마커스 후버(Marcus Huber)는 “우리는 양자 시스템이 유한한 에너지와 유한한 시간에도 도달할 수 있는 절대 바닥 상태를 정의할 수 있다는 것을 발견했습니다. 우리 중 누구도 그렇게 예상하지 못했습니다.”라고 말했습니다. “그러나 이러한 특별한 양자 시스템에는 또 다른 중요한 속성이 있습니다. 무한히 복잡합니다.” 따라서 양자 시스템의 무한히 많은 세부 사항을 무한히 정밀하게 제어해야 합니다. 그러면 유한한 에너지로 유한한 시간에 양자 객체를 절대 영도로 냉각할 수 있습니다. 물론 실제로 이것은 무한히 높은 에너지나 무한히 긴 시간만큼 달성할 수 없는 것입니다.

양자 컴퓨터에서 데이터 지우기

“따라서 양자 컴퓨터에서 양자 정보를 완벽하게 지우고 그 과정에서 큐비트를 완벽하게 순수한 바닥 상태로 전송하려면 이론적으로 무한한 수의 입자를 완벽하게 제어할 수 있는 무한히 복잡한 양자 컴퓨터가 필요합니다.” 마커스 후버는 말합니다. 그러나 실제로 완벽할 필요는 없습니다. 어떤 기계도 완벽할 수 없습니다. 양자 컴퓨터가 작업을 상당히 잘 수행하는 것으로 충분합니다. 따라서 새로운 결과는 원칙적으로 양자 컴퓨터 개발에 장애물이 아닙니다.

양자 기술의 실제 적용에서 온도는 오늘날 핵심적인 역할을 합니다. 온도가 높을수록 양자 상태가 더 쉽게 깨지고 기술적인 용도로 사용할 수 없게 됩니다. 마커스 후버(Marcus Huber)는 “이것이 바로 양자 이론과 열역학 사이의 연관성을 더 잘 이해하는 것이 중요한 이유입니다.”라고 말했습니다. “현재 이 분야에서 많은 흥미로운 진전이 있습니다. 물리학의 이 두 가지 중요한 부분이 어떻게 얽혀 있는지 보는 것이 서서히 가능해지고 있습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230404114303.htm