彼の 1824 年の著書では、Reflections on the Motive Power of Fire 、28歳のフランス人エンジニア、サディ・カルノーは、蒸気エンジンがいかに効率的に熱を変換できるかについての式を導き出しました.車輪を回します。 Carnot が驚いたことに、完璧なエンジンの効率は、エンジンの熱源 (通常は火) とそのヒートシンク (通常は外気) の間の温度差のみに依存することを発見しました。仕事は、温かい身体から冷たい身体へと熱が自然に移動することの副産物である、とカルノーは認識しました。
カルノーは 8 年後にコレラで亡くなりましたが、彼の効率の公式が 19 世紀に熱力学の理論に発展するのを見る前に、温度、熱、仕事、エネルギー、エントロピーの間の相互作用を規定する一連の普遍的な法則 - エネルギーの絶え間ない尺度エネルギーの高い体からエネルギーの低い体へと広がります。熱力学の法則は、蒸気機関だけでなく、太陽、ブラック ホール、生物、宇宙全体など、あらゆるものに適用されます。この理論は非常に単純で一般的であるため、アルバート アインシュタインは「決して覆されることはない」と考えました。
しかし、当初から、熱力学は自然界の理論の中で非常に奇妙な位置を占めてきました.
「もし物理理論が人間なら、熱力学は村の魔女になるだろう」と、物理学者のリディア・デル・リオと共著者は昨年 Journal of Physics A に書いた . 「他の理論では、彼女はどこか奇妙で、他の人たちとは性質が異なっていると考えられていますが、誰もがアドバイスを求めて彼女のところに来ており、あえて彼女に反論する人は誰もいません。」
たとえば、素粒子物理学の標準モデルが存在するものを調べようとするのとは異なり、熱力学の法則はできることとできないことだけを示します。しかし、この理論の最も奇妙な点の 1 つは、これらのルールが主観的に見えることです。全体としてすべてが同じ温度であるように見える粒子でできているガス - したがって、仕事をすることができない - を詳しく調べると、最終的に利用できる微視的な温度差がある可能性があります。 19 世紀の物理学者 James Clerk Maxwell が述べたように、「エネルギーの散逸という考えは、私たちの知識の程度に依存します。」
近年、量子情報理論を使用してこの主観性を説明する、熱力学の革命的な理解が生まれました。デル・リオと共著者が述べたように、量子システムを介した情報の拡散を説明しています。熱力学が最初に蒸気エンジンを改善しようとして発展したように、今日の熱力学学者は量子マシンの仕組みについて熟考しています。単一イオン エンジンと 3 原子冷凍機の両方が過去 1 年以内に初めて実験的に実現されたシュリンク技術は、温度や仕事などの概念が通常の意味を失う量子領域に熱力学を拡張することを余儀なくされています。古典的な法則は必ずしも適用されません。
彼らは、元の法則にスケールアップする新しい量子バージョンの法則を発見しました。ボトムアップで理論を書き直すことで、専門家はその主観的な性質の観点からその基本概念を再定義し、エネルギーと情報の間の深く、しばしば驚くべき関係を解明するようになりました。測定した。 「量子熱力学」は、活気と混乱の典型的な混合によって特徴付けられる、作成中の分野です。
ブリストル大学の物理学者で、研究努力のリーダーの 1 人である Sandu Popescu は、次のように述べています。 「最初は非常に良かったのですが」と彼は古典的な熱力学に言及して言いました。「今ではまったく新しい方法でそれを見ています。」
不確実性としてのエントロピー
マクスウェルは 1867 年に仲間のスコットランド人ピーター テイトに宛てた手紙の中で、熱力学と情報の関係をほのめかし、今や有名になったパラドックスについて説明しました。このパラドックスは、熱力学の第 2 法則 (エントロピーは常に増加するという規則) に関係していました。これは、サー アーサー エディントンが後に「自然法則の中で最高の地位を占めている」と述べています。第 2 法則によれば、エネルギーは、より熱い物体からより冷たい物体へと広がり、温度差が減少するにつれて、ますます無秩序になり、役に立たなくなります。 (仕事をするためには熱い体と冷たい体が必要であるというカルノーの発見を思い出してください。) 火が消え、一杯のコーヒーが冷め、宇宙は「熱死」として知られる均一な温度の状態に向かって急いで進みます。
オーストリアの偉大な物理学者であるルートヴィヒ・ボルツマンは、エネルギーが分散し、エントロピーが増加することを、単純な統計問題として示しました。システム内の粒子間でエネルギーが拡散する方法は、少数に集中する方法よりもはるかに多くあります。相互作用することで、エネルギーがますます共有される状態に自然に向かう傾向があります。
しかしマクスウェルの手紙は、悟りを開いた存在（後にマクスウェルの悪魔と呼ばれる）がその知識を使ってエントロピーを低下させ、第二法則に違反するという思考実験について説明しています。悪魔は、ガスの入った容器内のすべての分子の位置と速度を知っています。コンテナを仕切り、2 つの部屋の間の小さなドアを開閉することで、悪魔は動きの速い分子だけを一方の側に入れ、動きの遅い分子だけを反対側に入れます。悪魔の行動は、ガスを高温と低温に分け、エネルギーを集中させ、全体のエントロピーを低下させます。かつて役に立たなかったガスは、今では機能することができます.
マクスウェルと他の人々は、分子の位置と速度に関する知識 (または無知) に自然法則がどのように依存するのか疑問に思いました。熱力学の第 2 法則が個人の情報に主観的に依存している場合、それはどのような意味で正しいのでしょうか?
1世紀後、アメリカの物理学者チャールズ・ベネットは、レオ・シラードとロルフ・ランダウアーの研究に基づいて、熱力学を若い情報科学に正式に結びつけることでパラドックスを解決しました.ベネットは、悪魔の知識はその記憶に保存されており、記憶を消去する必要があり、それには手間がかかると主張しました。 (1961 年、Landauer は、室温では、コンピューターが保存された情報の 1 ビットを消去するのに少なくとも 2.9 ゼプトジュールのエネルギーが必要であると計算しました。) 言い換えれば、悪魔はガスを高温と低温に組織化し、ガスのエントロピーを低下させます。 、その脳はエネルギーを燃やし、それを補うのに十分なエントロピーを生成します。ガス悪魔システムの全体的なエントロピーが増加し、熱力学の第 2 法則が満たされます。
この調査結果は、Landauer が言うように、「情報は物理的である」ことを明らかにしました。情報が多ければ多いほど、より多くの作業を抽出できます。マクスウェルの悪魔は、平均的なユーザーよりもはるかに多くの情報を持っているため、単一温度のガスから仕事を絞り出すことができます.
しかし、物理学者が驚くべき意味を完全に調査するには、さらに半世紀を要し、量子情報理論 (量子コンピューターを追求して生まれた分野) が台頭しました。
過去10年間、ポペスクと彼のブリストルの同僚は、他のグループとともに、情報が粒子間で広がる方法のために、エネルギーが熱い物体から冷たい物体に広がると主張してきました.量子論によれば、粒子の物理的性質は確率論的です。 1 または 0 として表現できるのではなく、1 である確率と 0 である確率を同時に持つことができます。粒子が相互作用すると、粒子がもつれ、両方の状態を表す確率分布を結合することもあります。量子論の中心的な柱は、情報 (粒子の状態を表す確率的な 1 と 0) が決して失われないということです。 (宇宙の現在の状態は、過去に関するすべての情報を保持しています。)
しかし、時間の経過とともに粒子が相互作用し、ますます絡み合うようになると、個々の状態に関する情報が拡散し、シャッフルされて、ますます多くの粒子間で共有されるようになります。 Popescu と彼の同僚は、量子エンタングルメントの増加の矢印が、予想されるエントロピーの上昇、つまり熱力学的な時間の矢印の根底にあると考えています。コーヒーの分子が空気の分子と衝突すると、そのエネルギーをエンコードする情報が漏れ出し、周囲の空気と共有されるため、1 杯のコーヒーが室温まで冷えると彼らは説明しています。
エントロピーを主観的な尺度として理解することで、情報を失うことなく宇宙全体を進化させることができます。コーヒー、エンジン、人間などの宇宙の一部で、量子情報が希薄化するにつれてエントロピーが上昇しても、宇宙のグローバル エントロピーは永遠にゼロのままです。
スイスの ETH チューリッヒ校の教授である Renato Renner は、これを視点の根本的な変化と表現しました。 15 年前、「私たちはエントロピーを熱力学系の特性と考えていました」と彼は言いました。 「情報理論では、エントロピーはシステムの特性ではなく、システムを記述する観察者の特性であると言えます。」
さらに、エネルギーには無駄な熱と有用な仕事という 2 つの形態があるという考えは、「蒸気機関にとって理にかなっている」とレナー氏は述べています。 「新しい方法では、その間にスペクトル全体があります — 私たちが部分的な情報を持っているエネルギーです。」
エントロピーと熱力学は、「この新しい見解では謎ではありません」と彼は言いました。 「それが、人々が古いビューよりも新しいビューを好む理由です。」
対称性からの熱力学
情報、エネルギー、および他の「保存された量」の間の関係は、所有者を変えることはできるが破壊されることはなく、Nature Communications で昨年 7 月に同時に発表された 2 つの論文で新たな方向に進んだ 1 つはブリストル チームによるもので、もう 1 つはユニバーシティ カレッジ ロンドンのジョナサン オッペンハイムを含むチームによるものです。どちらのグループも、情報を一種の通貨として使用して、他のより物質的なリソース間で取引する仮想的な量子システムを考え出しました。
エネルギーと角運動量の両方を持つ粒子の巨大な容器、つまり貯水池を想像してみてください (粒子は動き回り、回転しています)。このリザーバーは、持ち上げるのにエネルギーを必要とするおもりと、加速または減速するために角運動量を利用する回転ターンテーブルの両方に接続されています。通常、単一のリザーバーでは何の役割も果たせません。これは、高温と低温のリザーバーの必要性に関するカルノーの発見にまでさかのぼります。しかし、研究者たちは、複数の保存量を含む貯水池が異なる規則に従うことを発見しました。 「エネルギーと角運動量のように保存される 2 つの異なる物理量がある場合、それらの両方を含むお風呂がある限り、1 つを別のものと交換することができます」とポペスクは言いました。
架空のウェイト - リザーバー - ターンテーブル システムでは、ターンテーブルの速度が低下するにつれてウェイトを持ち上げることができます。逆に、ウェイトを下げると、ターンテーブルの回転が速くなります。研究者たちは、粒子のエネルギーとスピン状態を記述する量子情報が、貯留層のエネルギーと角運動量供給の間の取引を可能にする一種の通貨として機能できることを発見しました。保存された量が量子システムで互いに交換できるという概念は、まったく新しいものです。これは、エネルギーの流れだけでなく、宇宙のすべての保存量間の相互作用も説明する、より完全な熱力学理論の必要性を示唆している可能性があります。
これまでエネルギーが熱力学の物語を支配してきたという事実は、重大というよりは状況に応じたものかもしれない、とオッペンハイムは述べた。カルノーとその後継者たちは、必要があれば、エンジン理論に合わせて角運動量などの流れを支配する熱力学理論を開発したかもしれません。 「私たちの周りには、抽出して使用したいエネルギー源があります」とオッペンハイムは言いました。 「たまたま、私たちの周りに大きな角運動量の熱浴がない場合があります。巨大なジャイロスコープには遭遇しません。」
昨年、量子情報理論と量子基礎の洞察でディラック メダルを受賞したポペスク氏は、彼と彼の共同研究者は、「量子力学を隅に追い込み」、黒板に集まり、新しい洞察への道を推論することによって取り組んでいると語った。関連する方程式を導出するのは簡単です。いくつかの認識は結晶化の過程にあります。 3 月に行われた数回の電話での会話の 1 つで、ポペスクは新しい思考実験について話しました。これは、情報と他の保存された量との区別を示し、自然の対称性がそれらをどのように区別するかを示しています。
「あなたと私が離れた銀河の別の惑星に住んでいるとしましょう」と彼は言い、彼、ポペスクが彼の惑星を見つけるためにどこを見ればよいかを伝えたいと思っていると仮定します.唯一の問題は、これが物理的に不可能だということです。しかし、あなたに方向性を示すことはできません。」
純粋で方向のない 1 と 0 の文字列で、お互いの銀河を見つける方法を表現する方法はありません。なぜなら、「自然は普遍的な [参照フレーム] を私たちに提供しないからです」とポペスクは言いました。もしそうなら、例えば、宇宙の構造のいたるところに小さな矢印が縫い付けられ、その動きの方向を示しているとしたら、これは宇宙の対称性である「回転不変性」に違反します.ターンテーブルは、宇宙の動きに合わせて回転が速くなり、角運動量が保存されないように見えます。 20 世紀初頭の数学者エミー ネーターは、すべての対称性には保存則が伴うことを示しました。宇宙の回転対称性は、角運動量と呼ばれる量の保存を反映しています。ポペスクの思考実験は、空間方向を情報で表現することが不可能であることは、「保存則に関係している可能性がある」ことを示唆しています.
情報の観点から宇宙に関するすべてを表現することが不可能に見えることは、自然のより基本的な記述の探求に関連している可能性があります。近年、多くの理論家が、時空、宇宙の曲がりくねった構造、およびその中の物質とエネルギーは、絡み合った量子情報のネットワークから生じるホログラムである可能性があると信じるようになりました。 「注意が必要です」とオッペンハイムは言いました。
概念間の論理的なつながりを知ることは、温度とエントロピーを持ち、何らかの形で情報を放射することが知られている神秘的な時空を飲み込む物体であるブラックホールの内部への道を物理学者が推論するのにも役立ちます. 「ブラック ホールの最も重要な側面の 1 つは、その熱力学です」と Popescu 氏は述べています。 「しかし、彼らがブラックホールで議論しているタイプの熱力学は、非常に複雑なテーマであるため、依然として伝統的なタイプです。私たちは、熱力学に関するまったく新しい見方を展開しています。」 「私たちが開発しているこれらの新しいツールが戻ってきて、ブラックホールで使用されることは「避けられない」と彼は言いました。
技術者に伝えるべきこと
エクセター大学の量子情報科学者である Janet Anders は、量子熱力学を理解するためにテクノロジー主導のアプローチを採用しています。 「（規模を）さらに縮小すると、適切な理論がない地域に到達することになります」とアンダース氏は述べています。 「そして問題は、技術者に伝えるために、この地域について何を知る必要があるかということです。」
2012 年、Anders は、現在 300 のメンバーを持つ量子熱力学に特化したヨーロッパの研究ネットワークを考案し、共同設立しました。彼女はネットワーク内の同僚と共に、量子エンジンと冷蔵庫の量子遷移を支配する規則を発見したいと考えています。これは、いつかコンピューターを駆動または冷却したり、ソーラーパネル、生物工学、その他のアプリケーションで使用したりできます。研究者たちはすでに、量子エンジンの可能性についてより理解を深めています。 2015 年、エルサレムのヘブライ大学の Raam Uzdin とその同僚は、量子エンジンが従来のエンジンを凌駕できると計算しました。これらの確率的エンジンは、熱い物体と冷たい物体の間を通過するエネルギーからどれだけの仕事を引き出すことができるかという点で、依然としてカルノーの効率式に従います。しかし、作業をより迅速に抽出できる場合があり、より多くのパワーが得られます。単一のイオンで作られたエンジンが実験的に実証され、Science で報告されました 2016 年 4 月に、パワーを増強する量子効果は利用されませんでした。
ポペスク、オッペンハイム、レナー、および彼らのコホートも、より具体的な発見を追求しています。 3月、オッペンハイムと彼のポスドク研究者であるルイス・マサネスは、量子情報理論を使用して、熱力学の第3法則（絶対零度に到達することは不可能であるという歴史的に混乱した声明）を導出する論文を発表しました。彼らは、絶対零度に到達するのを妨げる「冷却速度の限界」は、有限サイズの物体の粒子から情報を送り出す速度の限界から生じることを示しました。速度制限は、2 月のプレプリントで報告されたもののように、量子冷蔵庫の冷却能力に関連している可能性があります。 2015 年に、オッペンハイムと他の共同研究者は、熱力学の第 2 法則が、量子スケールで、粒子の物理状態を定義する確率分布が量子エンジンを含めてどのように進化するかに関する制約である、一連の「第 2 法則」に置き換えられることを示しました。 /P>
量子熱力学の分野が急速に成長し、さまざまなアプローチや発見が生まれているため、伝統的な熱力学の専門家の中には混乱を招いている人もいます。ドイツのアウグスブルク大学の熱心な批評家であるピーター・ハンギは、情報の重要性が量子コンピューティングの元専門家によって売り込まれすぎていると考えており、彼らは宇宙を物理的なものではなく巨大な量子情報処理装置と間違えていると彼は言います。彼は、量子情報理論家がさまざまな種類のエントロピー (熱力学と情報理論の種類) を混同し、それが適用されない領域で後者を使用していると非難しています。マクスウェルの悪魔は「私をイライラさせます」とHänggiは言いました。オッペンハイムと会社の熱力学の第 2 の「法則」について尋ねられたとき、彼は「私の血圧が上昇する理由がわかります」と述べました。
Hänggi の批判は古すぎると見られているが (量子情報理論家は熱力学的エントロピーと情報理論的エントロピーの関係を研究している)、他の熱力学学者は彼がいくつかの有効な点を指摘していると述べた。たとえば、量子情報理論家が抽象的な量子マシンを思い起こさせ、それらから仕事を得ることができるかどうかを確認するとき、彼らは時々、量子システムから仕事を正確に抽出する方法についての質問を回避します。 .アンダースと彼女の共同研究者は最近、量子仕事の抽出と保存に関する新しいアイデアでこの問題に取り組み始めました。しかし、理論的な文献はいたるところにあります。
多くのエキサイティングなものがテーブルに投げ出されましたが、少し混乱しています。それらを整理する必要があります」と、量子冷蔵庫を報告したチームの一員であったシンガポール国立大学の量子情報理論家兼熱力学学者である Valerio Scarani は述べています。 「少し合成が必要です。あなたのアイデアがそこに当てはまることを理解する必要があります。私のはここに収まります。仕事には 8 つの定義があります。仕事の 9 番目の定義を考え出すだけでなく、どの状況でどちらが正しいかを理解しようとする必要があるかもしれません。」
オッペンハイムとポペスクは、宇宙の物理性を軽視するリスクがあるというハンギに完全に同意します。 「私は、すべてが情報であると信じている情報理論家には警戒しています」とオッペンハイムは言いました。 「蒸気機関が開発され、熱力学が本格化していた頃、宇宙は単なる大きな蒸気機関であると考える人々がいました。」実際には、「それよりもはるかに厄介です」と彼は言いました。彼が量子熱力学について気に入っているのは、「エネルギーと量子情報という 2 つの基本的な量があり、これら 2 つのものが一緒になることです。それが私にとって、それがとても美しい理論である理由です。」
訂正:この記事は 2017 年 5 月 5 日に改訂され、Lluis Masanes は学生ではなく博士研究員であることを反映しています。
