경쟁과 공동

서로 다른 리듬으로 똑딱거리기 시작하는 여러 개의 작은 시계로 둘러싸인 큰 진자시계를 상상해 보세요. 시계 진자가 이웃의 리듬을 기반으로 리듬을 조정할 수 있다면 시간이 지남에 따라 서로 동기화되고 조화롭게 움직일 수 있습니다. 이 동기화 프로세스에는 두 가지 피드백 메커니즘, 즉 동일한 작은 클록 간의 상호 작용과 각 작은 클록과 큰 외부 클록의 상호 작용이 포함됩니다.

그러나 양자 세계에서는 이러한 공존과 이에 대한 양자 상관관계의 영향이 거의 탐구되지 않았습니다. 양자 시스템에서 동기화의 가능한 열역학적 이점도 많이 조사되지 않았습니다.

한국 기초과학연구소 복잡계 이론물리학 센터와 인도 봄베이 인도공과대학교 연구진은 최근 이러한 격차를 해소하기 위해 나섰습니다. 그들의 작업은 양자 기계에서 열역학적 동작을 나타낼 때 두 가지 동기화 메커니즘(시스템 간의 상호 작용 및 공통 외부 소스와의 상호 작용)이 어떻게 경쟁하거나 협력하는지를 밝혀줍니다.

Physical Review Letters에 설명된 연구에서 Taufiq Murtadho, Sai Vinjanampathy 및 Juzar Thingna는 상호 상호 작용하는 양자 열 기계 세트를 고려합니다. 문제의 기계는 뜨거운 저장소와 차가운 저장소와 접촉하는 다단계 양자 시스템입니다. 시스템의 가장 흥미로운 수준은 비유의 작은 시계와 유사하게 상호 결합이 있는 여러 개의 동일한 부품으로 구성됩니다. 시스템 발전을 견인하는 일반적인 외부 장치인 대형 시계의 동작을 모방하기 위해 기계는 외부 소스와도 상호 작용합니다. 작동 방식에 따라 이 설정은 뜨거운 저장소에서 차가운 저장소로 열을 펌핑하는 엔진으로 작동하거나 그 반대의 역할을 하는 냉장고로 작동할 수 있습니다.

팀은 외부 소스와 상호 작용하는 간단한 4단계 시스템이 동기화 메커니즘의 상호 작용과 양자 열 엔진에 대한 유용성을 조사하는 데 충분하다는 것을 보여줌으로써 시작했습니다. Thingna와 동료들은 설정이 엔진으로 작동할 때와 냉장고로 작동할 때 두 가지 동기화 메커니즘으로 인해 기계의 여러 동일한 부품에 어떤 일이 발생하는지 연구했습니다.

특히 그들은 기계의 개별 부품 간의 상호 작용이 대칭 구성(모든 부품이 리듬과 일치함)을 생성할 수 있고 반대칭 구성(모든 부품이 리듬과 일치하지 않음)을 생성할 수 있음을 발견했습니다. 대조적으로, 외부 소스는 항상 여러 부품을 대칭 구성으로 끌어옵니다.

이 스레드를 따라 연구원들은 엔진 체제에서 상호 상호 작용과 외부 구동이라는 두 가지 메커니즘이 반대되는 상태 구성을 선호한다는 것을 발견했습니다. 이는 두 메커니즘 간의 경쟁으로 이어집니다. 그러나 냉장고 체제에서는 두 메커니즘 모두 대칭 구성을 선호하므로 협력합니다.

그런 다음 팀은 한 단계 더 나아가 열역학적 한계에서 여러 개별 부품의 수가 매우 클 때 메커니즘 간의 경쟁과 협력이 여전히 발생한다는 것을 보여주었습니다. 그러나 시스템 규모가 확장됨에 따라 상호 결합이 지배적인 메커니즘이 됩니다. 이로 인해 협력 체제는 영향을 받지 않지만 경쟁은 여전히 ​​존재하지만 엔진 체제에서는 덜 관련성이 있게 됩니다.

메커니즘 간의 상호 작용을 밝히는 것 외에도 저자는 동기화가 양자 기계의 열역학적 성능에 어떻게 영향을 미치는지 조명했습니다. Physical Review A에 발표된 보완 논문에서 저자는 동기화가 생성되는 낭비적인 열의 양을 어떻게 제한할 수 있는지 설명합니다. 작동 중인 기계, 엔진 또는 냉장고의 경우 이는 잘 알려진 카르노 상한선을 넘어 효율성에 대한 새로운 하한선을 의미합니다.

물리학자들은 양자 역학과 열역학이 모두 사실일 수 있다고 말합니다.

Thingna와 Vinjanampathy에 따르면 이러한 결과는 외부 추진과 상호 상호 작용이 중요한 양자 기술 구축에 직접적인 영향을 미칠 것입니다. 그들은 열역학과 양자 시스템의 다양한 유형의 동기화 메커니즘 사이의 연관성을 이해하는 것이 열역학 원리에 따라 작동하는 에너지 효율적인 기계를 구축하고 설계하는 데 필수적이라고 덧붙였습니다. 그들은 이 연구가 양자 열역학에서 "양자"의 다양한 측면의 퍼즐에 한 조각을 더 추가한다고 결론지었습니다.